泡沫铝层合结构矿用溜槽的减振降噪性能研究

杨昆，于英华，沈佳兴



泡沫铝层合结构矿用溜槽的减振降噪性能研究

杨昆1，于英华2，沈佳兴2

(1. 辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁锦州 121001； 2. 辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新 123000)

为了降低煤矿溜槽工作时的噪声，探索溜槽降噪的新途径，提出将泡沫铝层合结构用于制造矿用溜槽。针对溜槽工作的特点，设计泡沫铝层合结构矿用溜槽的新结构，并运用理论分析和实验分析的方法对其减振降噪性能进行研究。结果表明，用泡沫铝层合结构制造溜槽，可提高溜槽的降噪及环保性能。

泡沫铝；层合结构；溜槽；降噪

0 引言

溜槽是煤炭输送及选煤厂筛选分级过程中的重要设备，大多数机械运输设备和存煤装置之间的转载任务均是由溜槽来承担，而且还起着分配、集中、等分、调节工艺流程等作用，其性能直接关系到煤炭的生产效率和分选程度[1]。

矿用溜槽在工作工程中，不断地受到矸石及块煤的摩擦与冲击，会产生很大的振动和噪声，噪音声级可达100 dB以上，最高可达115 dB以上，严重地危害工人的健康，对周围环境也造成噪声污染[2]。

矿用溜槽的减振降噪在国内一直是一个难题。传统溜槽的结构一般采用钢板焊接内衬衬板的方法制造，其内衬衬板主要采用铸铁、碳钢及高分子材料等。而对于普通铸铁材质衬板，其耐磨性能差、冲击韧性低；铸石和高分子衬板耐磨性较好但韧性低；碳钢和不锈钢衬板韧性高但耐磨性低；橡胶衬板韧性好、吸震性能强，但易脱落堵塞，使用寿命较低[3]。因此，迫切需要一种新型材料制备溜槽，以达到减振降噪的目的，从而提高溜槽的使用寿命，降低工作时的噪声。

泡沫铝是近些年来发展迅速的一种新型结构功能一体化的多孔材料，具有吸声、隔声、隔热、阻燃、减振、阻尼、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种物理性能[4-6]。因而国内外有些学者将其应用于一些减振降噪的结构之中，均取得了良好的效果[7-9]。因此，若将泡沫铝材料应用到矿用溜槽的结构中，将对控制溜槽的振动和噪声产生积极作用。同时，也会进一步拓展泡沫铝材料在矿业领域的应用范围。

本文综合运用理论分析和实验分析的方法，分别对泡沫铝层合结构板和溜槽的减振降噪性能进行研究，以证明泡沫铝层合结构板作为溜槽结构部件的可行性和优越性。

1 泡沫铝层合结构矿用溜槽的结构设计

1.1 原型溜槽结构

本文的研究对象为煤矿中常用的一种筛下溜槽。该溜槽主要应用于振动筛底部，是为了使筛好的煤块集中而增设的转接设备。工作时，块煤通过溜槽垂直转移到输送设备上，可使原煤沿着工艺规程制定的线路运行，从而保证生产的正常运行。其具体形状和尺寸如图1所示。

其进出口部位的尺寸取决于所连接设备的要求。筛子的筛网宽度为600 mm×600 mm，筛子底部到输送机的落差为618 mm，输送机宽度为460 mm。因此，该筛下溜槽的截面形状为方形，截面尺寸为起始端边长600 mm、末端边长为420 mm、高度为468 mm的四棱台结构，各面的钢板厚度为5 mm。

1.2 泡沫铝层合结构溜槽结构

为保证溜槽能正常工作，溜槽的挠度必须在可接受范围内，即泡沫铝层合结构溜槽的刚度要大于或等于原型结构溜槽的刚度。同时，为了发挥泡沫铝层合板的轻质性，还要求泡沫铝层合结构溜槽的质量要小于原型结构溜槽的质量。由于所研究溜槽的结构是对称的，每一块溜槽衬板的受力和变形基本相同。因此，可单独对泡沫铝层合板进行分析，确定泡沫铝层合板面板厚度和泡沫铝芯层的厚度。

单独一块钢板的刚度为

依据等刚度设计理论，可得

同时要满足泡沫铝层合板的质量不大于钢板的质量，因此有

(4)

将不等式(3)和(4)的曲线画在一个坐标系中，如图2所示。

由图2可知，等质量直线和等刚度曲线中间的区域，即为满足设计要求的可行域。考虑到泡沫铝芯层和钢板的加工难易程度和成本，选取的泡沫铝层合板的总厚度为0.014 m，其中芯层厚度为0.010 m，钢板厚度为0.002 m。将泡沫铝层合板的刚度和质量与原型溜槽钢板的刚度和质量的理论计算值进行对比，如表1所示。

由表1的计算结果可知，厚度为0.014 m的泡沫铝层合板的刚度要远大于相同长度和宽度的钢板的刚度，且质量有所降低。结果表明，芯层厚度为10 mm，钢板厚度为2 mm的泡沫铝层合板完全可以替代厚度为5 mm的Q235钢板，利用该尺寸的泡沫铝层合板制作溜槽，完全可以满足工作的要求，并且质量有所降低。

表1 泡沫铝层合板与原型溜槽钢板的弯曲刚度和质量对比

2 泡沫铝层合结构溜槽振动特性的实验分析

煤块与溜槽内金属板撞击产生的冲击噪声是溜槽噪声的主要组成部分，其是由结构受撞击力作用后，而产生逐渐衰减的自由振动而辐射的声能。为了减少溜槽在工作过程中的冲击噪声，即减少结构的振动，需要对溜槽结构的振动特性进行研究。

2.1 试件的制作

实验中溜槽所采用的钢板材质为Q235低碳钢，壁厚为5 mm和2 mm的两种规格。层合板内的闭孔泡沫铝材料是由沈阳东大先进材料发展有限公司采用渗流铸造法生产的，其基体金属材料为ZL102铝合金，平均孔径为2～3 mm，相对密度为0.22。

根据原型溜槽和泡沫铝层合结构溜槽的形状和尺寸，按照1:1的比例制备试验试件。泡沫铝层合结构溜槽试样中的泡沫铝芯层与面板间使用环氧树脂粘接剂粘接。制备好的实验试件如图3所示。

2.2 试验设备及组成

试验装置主要由激励系统、力和运动传感器、测量与分析系统三部分组成，如图4所示。

采用力锤激励方式对试件进行激励，力锤的锤头采用尼龙锤头，其频响为800 Hz左右，脉宽大约为1.37 ms。试验中使用的力传感器是压电力传感器，运动传感器是压电加速度传感器。结合现有的实验条件以及泡沫铝层合结构溜槽的特点，选取永磁方式在溜槽表面安装力传感器和加速度传感器。测量与分析系统由DELLM4400工作站和LMS.TestLab振动分析系统组成。

2.3 试验方法

试验时，用软绳将试件悬吊起来以达到自由-自由条件的近似。为了使这种悬吊的影响减到最小，悬吊试件的连接点应当选择处于或接近于尽可能多的模态的节点上，并选择溜槽进口端四边的中点作为悬挂点。

试验时用安装有力传感器的力锤水平敲击试件的激振点3次，取其平均值作为该点的频率响应函数，以此来提高试验精度。

2.4 试验结果与分析

激振信号和响应信号通过多功能抗混滤波放大器放大后，由智能信号采集处理分析仪采集相应信号，并传输给计算机，再通过人工选择频段后得到模型的频响稳态图。根据频响稳态图通过系统提供的PolyLSCT法计算出原型溜槽和泡沫铝层合结构溜槽的前8阶固有频率和阻尼比，如表2所示。

由表2可以看出，泡沫铝层合结构溜槽的前8阶固有频率较原型溜槽的固有频率均有所提高。泡沫铝层合结构溜槽各阶固有频率对应的阻尼比均大于原型溜槽的阻尼比，最小增幅为6.54%(第一阶)，最大增幅1966%(第三阶)。由此表明，泡沫铝层合板制备的溜槽可以显著提高原型溜槽的阻尼性能，可以明显减少溜槽工作过程中的受激振动，从而减少溜槽的冲击噪声。

表2 两种结构溜槽的固有频率和阻尼比

3 泡沫铝层合结构溜槽降噪性能的仿真分析

利用Virtual.Lab软件采用边界元方法((Boundary Element Method, BEM)分析两种结构溜槽在不同激振频率情况下的声压分布情况。

3.1 声学有限元模型的建立

将两种结构溜槽的ANSYS模态分析结果导入到Virtual.Lab中，截取声学边界元网格，并对流体网格进行划分。为了研究溜槽外部的整体声压分布，插入半径为750 mm的球面网格场点，如图5所示。

对溜槽作用的激振力来自于煤块的冲击力。溜槽在满载情况下，溜槽内衬板主要受到煤块的压力作用。根据满载时的实际情况，经计算将煤块的冲击力大小近似为172 N，相位角近似取为零值，激振力频率变化范围为40～2000 Hz，加载方式为阶跃式。分别在泡沫铝层合结构溜槽的四块内衬板的中间节点和原型溜槽四块内衬板的中间节点上施加激振力，并设置流体材料属性和边界条件。

3.2 仿真结果与分析

采用中心频率为125、250、500、1000、2000、4000 Hz的六个倍频程来分析。选取溜槽受激励部位所对应的外部场点为观测点，仿真结果如表3中所示。

由表3可知，当频率在低频段即1000 Hz以下时，溜槽外部的声压级基本上是随着频率的增大而增大的。而当频率在1000～4000 Hz频段变化时，溜槽外部的声压级随着频率的增大而减少，说明溜槽结构对高频率噪声的降噪效果更好。

表3 溜槽外部边界声压峰值(dB)

对比两种结构溜槽的降噪性能，泡沫铝层合结构溜槽外部的声压级比原型溜槽外部的声压级低，经计算平均低3.1 dB左右。当频率达到1000 Hz时，溜槽外部声压级达到峰值，此时差值为3.2 dB。随着噪声频率的增加，泡沫铝层合结构溜槽与原型溜槽降噪量的差值不断增大，表明泡沫铝层合结构溜槽对高频率噪声的降噪效果更优于原型溜槽。

4 泡沫铝层合结构板隔声性能理论分析

泡沫铝层合板不仅通过受到外界机械力的激励产生振动发出噪声(结构振动声)，而且其对内部混响声场的作用(空气声)也会产生影响。因此，还应对泡沫铝层合板的隔声性能进行分析。

4.1 单层板的隔声性能

(7)

4.2 泡沫铝层合结构板的隔声性能

当层合结构发生弯曲振动时，泡沫铝芯层也随之振动，在内部产生拉压交变应力，将机械能转化为热能并耗散掉，达到减振降噪的目的。由泡沫铝层合板的等效抗弯刚度可得层合板的弯曲劲度为

层合板的面密度为

(9)

将式(8)与式(9)代入式(5)，即可得到泡沫铝层合板的弯曲吻合临界频率

假设泡沫铝层合板为无限长、单位宽，单一金属的损耗因子约为10-4量级，而泡沫铝材料的损耗因子约为10-2量级[13]，故可忽略金属板层的损耗，用泡沫铝芯层的损耗因子代替泡沫铝层合板的结构损耗因子。

4.3 两种结构板的降噪性能的数值解算

在工程中，常用中心频率为125、250、500、1000、2000、4000 Hz的六个倍频程的平均隔声量来表示隔声板的隔声性能。因此，这里主要分析两种结构溜槽的组成结构件，在频率范围内的传声损失。有关材料的属性值如表4所示，根据式(8)绘制出当声波入射角为45º、钢板厚度为2 mm、泡沫铝层厚度为10 mm的泡沫铝层合板的隔声性能曲线，如图6所示。

从图6可看出钢板与泡沫铝层合板的隔声性能曲线的规律大致相同，在较低频时，隔声量随频率的升高而增强，当进入吻合效应区，接近临界吻合频率时，隔声量开始下降，曲线将会出现一个波谷。这与单层结构板隔声特性曲线[14]在质量控制区、吻合效应和质量控制延续区的变化规律相同。在低频区域，钢板的隔声量要大于泡沫层合板；而在中高频段，泡沫铝层合板的隔声性能均好于钢板的隔声性能，且差距较大，说明泡沫铝层合板的降噪效果在中高频率时比较明显。将理论计算的相关参数和结果列于表5中。

表4 相关材料属性

表5 相关参数和结果

由表5可知，泡沫铝层合板的临界吻合频率要明显低于钢板的临界吻合频率，吻合频率向低频移动会降低隔声效果，但另一方面也为阻尼措施的采取提供了可能。而从整个频率范围内的平均隔声量来看，泡沫铝层合板的隔声效果比钢板的要好，平均隔声量提高约7.79 dB(A)左右。

5 泡沫铝层合结构矿用溜槽隔声性能的实验分析

为进一步证明泡沫铝层合结构溜槽具有良好的降噪性能，有必要对两种结构溜槽的隔声量进行试验研究。

5.1 试验设备及组成

本试验将测量两种不同结构溜槽的隔声量，而隔声量可以通过声压级、声强级和声功率级来表示，本试验将采用测量声压级的原理来进行。试验设备主要有AWA5680型多功能声级计和模拟声源组成。

用专门的声谱发生软件通过计算机加上扩声设备模拟噪声源。模拟声源发出噪声可以在该仪器上直接读出噪声的声压值，分别测量声源在没有设置溜槽、设置原型溜槽、设置泡沫铝层合结构溜槽时噪声源的声压值，然后进行分析比较，其噪声测量系统如图7所示。

5.2 试验方法

本文利用在工程中常用的中心频率为125、250、500、1000、2000、4000 Hz的六个倍频程的平均隔声量来表示隔声板的隔声性能。在实验过程中，为减少声音绕射的影响，在溜槽试件的上开口部添加了厚度为10 mm的泡沫板。

噪声测量试验在实验室相对安静的时候进行，房间墙壁和地面均为噪声反射面。根据溜槽试件尺寸将噪声源放在其内部中间位置，距地面高度0.3 m处，而声级计放置在溜槽试件的外部1 m处，距地面高度0.3 m处测量。

5.3 试验结果与分析

测试结果如图8所示，图中三条曲线分别为裸测、原型溜槽结构、泡沫铝层合结构的等响曲线。

从图8中可以看出，在相同的响度级的纯音下声压级随着频率的变化出现较大幅度的波动，等响曲线分成两个部分，第一个部分是125～1000 Hz的频率范围，两种结构溜槽外部所测得的声压级随着频率的增加而升高，达到一定程度之后趋于平稳；第二部分是1000～4000 Hz的频率范围，这一范围内两种结构溜槽都随着频率的增加而声压级减少，说明两种结构溜槽对较高频率噪声的隔声效果更佳，这也与理论分析的结果基本一致。但由于测试房间的空间较小，在测试的过程中房间的回声和桌面的共振及外界环境的干扰都会对实验结果产生一定的影响。

通过对比三组试验结果可以发现，无论是泡沫铝层合结构溜槽还是原型结构溜槽都起到了不同程度的隔音效果，在125～500 Hz的频率范围内原型溜槽的平均隔音量为6.6 dB，泡沫铝层合结构溜槽的平均隔音量为3.7 dB，泡沫铝层合结构的隔音量比原型结构小2.9 dB。在1000～4000 Hz的频率范围内，泡沫铝层合结构溜槽的隔音量要明显优越于原型溜槽的隔音量，泡沫铝层合结构溜槽的平均隔音量为26.5 dB，原型溜槽的平均隔音量为10.4 dB，泡沫铝层合结构溜槽的隔音量比原型溜槽大16.1 dB。但从六个倍频程的平均隔声量来看，泡沫铝层合结构溜槽的隔声效果比原型溜槽好，平均隔声量提高约7.1 dB左右。由此可见，泡沫铝层合结构溜槽较原型溜槽具有更显著的隔音降噪的作用。

6 结论

(1) 泡沫铝层合结构溜槽的降噪性能无论是在低频段、中频段还是高频段都优越于现有的溜槽结构，其平均声压级可减小7.1 dB左右。

(2) 用泡沫铝层合结构制造矿用溜槽，可以提高溜槽的刚度和动态性能，降低结构的质量，达到减振降噪的目的。

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Research on noise and vibration reduction performance of mine chute in foamed aluminum laminated structure

YANG Kun1, YU Ying-hua2, SHEN Jia-xing2

(1. College of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121000, Liaoning, China;2. College of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 12300, Liaoning, China)

In order to reduce the working noise of coal chute and to explore a new way of doing so, an idea of using foamed aluminum laminated structure in manufacturing mine chute is put forward. According to the characteristics of chute on working, a new foamed aluminum laminated structure of mine chute is designed. And then, the noise and vibration reduction performance of it is studied by theoretical analysis and test. The results show that the new laminated structure of chute can improve the noise reduction and environmental protection performance.

foam aluminum; laminated structure; chute; noise reduction

TB533

A

1000-3630(2016)-04-0362-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.04.015

12016-03-24;

2016-06-28

辽宁省教育厅一般项目(L2015241)、中国煤炭工业协会科学技术研究指导性计划资助项目(MTKJ2010-290)

杨昆(1985－), 男, 辽宁阜新人, 博士, 讲师, 研究方向为机械系统动力学建模与仿真，先进材料研究与应用，噪声控制。

杨昆,E-mail:yangkunwh@163.com