帶式輸送機的降噪措施及驗證試驗

馮文博

(銅川市耀州區照金礦業有限公司，陜西 銅川 727100)

0 引言

噪聲問題隨處可見，越來越引起人們的關注，成為環境工程領域最受關注的研究課題之一。帶式輸送機因具有較大的運輸能力、運行平穩、較小的運輸阻力等特點，被廣泛應用于煤礦運輸，但帶式輸送機結構復雜，運輸線路長，驅動部、中間段及卸料部均存在噪聲問題。煤礦工人長期處于強噪聲工作環境，容易產生耳鳴、眩暈等不良反應，導致職業病，同時噪聲能夠降低工作人員的勞動效率，存在安全隱患。現有降噪措施主要包括改進膠帶材質、減少振動、優化輸送機托輥結構等。為此，主要針對現有降噪措施進行分析，并進行效果驗證，以期找到降低帶式輸送機噪聲的有效措施。

1 減速器降噪措施

1.1 降噪的主要理念

煤礦現在對于帶式輸送機的降噪措施主要從減速器的內部零部件結構、材料、設置隔振系統3大方面入手。通過改變輪副重合度可以影響齒輪嚙合的動態特性，增大重合度能均化每對輪齒的傳動誤差，降低單對齒輪的負載及嚙入嚙出沖擊。斜齒輪相比直齒輪，端面重合度越大，總噪聲減少量越大。可通過增大齒頂圓的方法來增加齒輪的重合度。為了增大齒面的接觸面積，增大齒面嚙合接觸線長度，可以選用錐齒、斜齒，保持輪齒連續接觸，避免間斷從而產生沖擊振動。

1.2 降噪的主要措施

齒輪加工及安裝：齒輪加工及安裝誤差的存在均會影響動態特性，加劇系統振動。在輪齒的各向誤差中，齒形誤差對其振動噪聲的影響最大。導致齒輪動載，引起振動噪聲的主要原因是齒輪傳動中輪齒嚙合剛度發生變化。通過齒廓和齒面修形來使其動載荷及速度波動減小從而降低振動噪聲。添加特殊潤滑劑，在運動部件表面上形成惰性材料薄膜，從而降低沖擊振動，減小齒輪噪聲和泄露。

齒輪參數：由表1可知，適當的增加齒數、增大壓力角、螺旋角、齒寬和精度等級可減小減速器的振動噪聲[1]。

表1 齒輪參數對減速器振動噪聲的影響

材料的選用：對可能會影響到工作平穩性的零部件如齒輪齒面、軸承，合理選用材料，可提高其加工精度和表面質量[2]。減速器的殼選用灰口鑄鐵，能有效地吸收機器振動的能量，從而起到阻尼的作用，具有良好的減振吸振性。考慮可以在減速器箱體結構表面粘貼或涂覆阻尼，但粘貼的材料需要有一定厚度，這樣會影響箱體的散熱并增加減速器的質量，所以此類方法不適用。

各部件的連接：減速器等部件與底盤或地面要用橡膠減振墊進行柔性連接，使振動源與地基之間或設備之間的近剛性連接成為彈性連接，以隔離或減少振動能量的傳遞，具有減振降噪效果。

2 中間段降噪措施及驗證試驗

2.1 輸送機安全防護距離

有限長線聲源發散模式：輸送機中間部位(機身)是由一系列間距相等的托輥組及輸送帶組成，經過巷道時會產生噪聲。當有限N個點聲源Si排列成行時就可以看成有限長度線聲源，中間部位可近似看作為線聲源，近似柱面波形式向外輻射噪聲。線狀聲源的特點是隨傳播距離增加呈幾何發散衰減，輻射聲波的聲壓幅值與聲波傳播距離的平方根r成反比。有限長線聲源的幾何發散模式可用式(1)表示[3]。

(1)

因距離而引起的噪聲衰減值：線聲源隨傳播距離增加在自由空間且無指向性下引起的衰減值分3種情況。

①r>l0且r0>l0。則

(2)

②若r

(3)

③若l0/3

(4)

式中，A—噪聲因距離而引起的衰減值，dB；r0—線聲源至參照點的距離，m；r—線聲源至預測點的距離，m；l0—有限長線聲源的長度，m。

安全防護距離的確定：因此，借助DH5901手持式動態信號測試分析儀可測的距離輸送機托輥1 m處的噪聲聲壓級為xdB(A)，故可求出噪聲值低于45 dB(A)的距離值，即

r=10(x-45)/B

(5)

式中，B—系數。當r>l0且r0>l0時，B=20；若r

2.2 吸聲機理分析

吸聲機理：輸送帶承載物料給予托輥一定的作用力，兩者接觸摩擦產生噪聲，而且在輸送機工作過程中托輥是以一定轉速旋轉的，帶動周圍空氣流動，所以有一部分噪聲是由摩擦產生，有一部分噪聲是由托輥和輸送帶相對運動而引起空氣流動產生的。吸聲或者聲吸收就是輸送帶輸送物料過程中產生的噪聲通過空氣介質入射到固體介質的分界面時，聲能減少的過程[4]。黏滯性和內摩擦的作用和熱傳導效用是其吸聲機理。黏滯性是聲波在傳播的過程中由于各處的質點振動速度不同產生速度梯度，相互作用的黏滯力或內摩擦力在相鄰的介質間產生，質點的運動受到阻礙，部分聲能轉化為熱能。內摩擦是聲波傳播時各處介質質點疏密程度不同，由不同的疏密程度導致各處的介質溫度不同，導致溫度梯度產生，由于相鄰質點間溫度不同出現了熱量傳遞現象，聲能不斷減小，轉化為熱能，導致熱能增加。

吸聲系數：在吸聲機理中，黏滯性是主要的，熱傳導作用較小。聲音作為一種能量形式，需要主動進入耗散的介質，即聲音傳到吸聲材料時，吸聲材料才能起吸收作用。聲波在其傳播方向上遇到障礙物都有一部分聲能被反射(稱為反射聲波)，一部分被吸收，進入物體。被吸收的聲能中一部分在物體中傳播時消耗掉，余下部分透過此物體繼續前進，稱為折射聲波。吸聲材料的性能主要以其吸聲系數來表示。吸聲系數是指被吸收的聲能與入射到物體上的總聲能之比，通常用符號αs表示，見式(6)

(6)

式中，Ua—被吸收的聲能；Ur—反射聲能；Uj—入射到物體上的總聲能。

托輥吸收的聲能：假設聲波傳播的方向是垂直于托輥表面，在聲場中單位時間內托輥吸收的聲能Ua為

Ua=Ia·Sa

(7)

式中，Ua—吸收的聲能，W；Sa—托輥面積，m2；Ia—被吸收的聲強，W/m2。

聲強Ia為

(8)

式中，P—有效聲壓，Pa；ρ—傳播聲波的介質的密度，kg/m3；υ—介質中的聲速，m/s。

這里的聲壓其實是該點在一段時間t內的均方根聲壓Pm，即

(9)

式中，P—瞬時壓力，Pa；t—時間，s。對于單位時間內的聲壓即瞬時壓力P。

高分子材料吸收的波：設界面的坐標為x=0，當聲波從空氣射向界面，入射壓力為Nj，入射角速度ω，高分子材料吸收壓力為Na的波，同時與入射方向相反的壓力為Nr的聲波反射回去。當x<0時，左側壓力為入射波與反射波壓力的和；當x>0時，右側只有吸收聲波的壓力；由邊界條件可知，在x=0的界面上，兩邊的壓力必須相等，即

Nj+Nr=Na

(10)

同理，在空氣中質點的速度是入射波與反射波的2個分量的和，在右側質點速度是吸收的分量。不同的介質對聲波的傳播有不同的阻抗，聲波在介質中對一定面積上的聲壓與通過這個面積的體積速度的復數的比值叫作聲阻抗，即

(11)

式中，Z—聲阻抗；P—聲壓，Pa；υm—介質速度，m/s。

各種介質的特性阻抗等于介質密度與聲在其中的傳播速度的乘積，即

Z=ρ·υ

(12)

根據界面兩側的質點速度必須相等的原則，有

(13)

將式中的Nr代入式中，可得

(14)

托輥材料與吸收聲能的關系：聲波通過彈性介質傳播，介質中振動的質點具有動能；同時因為介質變形，所以具有勢能。聲波的傳播速度和介質的彈性模量以及介質的密度有直接關系[5-6]，其關系式為

(15)

式中，E—介質體積彈性模量，Pa。

綜上，Ua表示為

(16)

由于空氣的密度和聲速遠小于鋼和橡膠、尼龍的密度和聲速，故

(17)

由上式可知，被吸收的聲能與入射波的壓力Nj、托輥面積Sa成正比，與介質彈性模量E、傳播聲波的介質的密度ρ成反比。根據式(17)得出，當入射波和托輥大小一定時，被吸收的聲能與托輥材料的彈性模量E、材料的密度ρ的關系。

聲波入射角的影響：實際上聲波很少是簡單法向入射的，聲波常以某個角度入射到界面上。設Nj是由空氣入射到托輥界面上的波線，與界面法線的夾角為θ1，Nr為反射波線，與法線夾角為θ2。透過界面被高分子材料吸收的波線為Na，與法線夾角為θ3，示意圖如圖1所示。

圖1 聲波的入射、反射、折射

由斯涅爾定律得聲波的波動運動與光波的波動運動類似，得

θ1=θ2

(18)

(19)

聲波在高分子材料中的傳播速度大于在空氣中的速度，即υ2>υ1，則進入高分子材料的射線將遠離法線，θ3=θ1。當θ3接近90°時，聲波在界面上掠過，θ1為臨界角θc。任何大于臨界角θc的入射聲波都不能進入高分子材料，也就不會被高分子吸收。

材料性能的影響：由表2可知，高分子橡膠和尼龍材質的托輥其彈性模量及密度遠小于鋼制托輥，故可采用高分子橡膠和高分子尼龍材質的托輥降低帶式輸送機中間部位的噪聲。此外，皮帶之間搭接一般使用鋼制皮帶扣，皮帶輸送過程中，皮帶扣不斷與托輥接觸，鋼與鋼的碰撞噪聲很大[7-8]。采用鋼制托輥帶式輸送機的運行噪聲很大，可換作高分子材料托輥，皮帶扣與“塑料”相接觸，而且表面光滑不沾物料，具有良好的自潤滑性能，摩擦系數小，噪聲低，很大程度上改善了工人的作業環境。

表2 材料的性能參數

托輥加工方式的影響：對托輥筒體外圓進行加工處理，保證筒體的圓度誤差。采用圓度誤差較小的優質高分子托輥筒體，以降低托輥的徑向跳動值。對軸承座外圓及止口結合部位進行加工處理，確保止口部位與軸承安裝部位的同軸度與垂直度。對筒體的止口部位進行加工處理，確保兩止口部位的同軸度。對軸的安裝軸承部位進行加工處理(軸兩端打輔助頂尖孔加工)，保證兩軸承位的同軸度(徑向和軸向)。

2.3 共振的避免

理論分析：通常選擇角鋼，槽鋼型材料作為支撐托架，以提高支撐的強度、剛度，降低工作過程中的振動。同時在鋼架連接點處加裝緩沖墊，進行柔性連接，起到防振減振的作用。輸送帶在帶式輸送機正常工況下會產生振動變形，共振發生在作為振動源的托輥的激振頻率和輸送帶的固有頻率一致時，導致劇烈振動和異常噪聲。故要避免共振發生，就要使輸送帶的固有頻率和托輥的轉動頻率之差的絕對值大于等于輸送帶的頻帶寬，即

|f-fR|≥Δf

(20)

式中，f—輸送帶振動頻率，Hz；fR—托輥轉動的頻率，Hz；Δf—鋼絲繩芯輸送帶的頻帶寬，Δf=1。

托輥轉動的頻率為

(21)

式中，υ—輸送帶的帶速，m/s；d—托輥直徑，m。

建模分析：①模型建立。以鋼絲繩芯輸送帶為例，帶芯的材料是鋼絲繩，橡膠覆蓋在鋼絲繩的上下兩表面，輸送帶的材料屬性見表3。設置輸送帶帶寬1 200 mm，托輥直徑133 mm的參數對任意2組托輥組間的一段輸送帶進行振動變形研究，安裝實際尺寸建立三維模型，如圖2(a)所示，為了簡化分析，將托輥及支架結構簡單化。將該鋼絲繩芯輸送帶的三維模型導入到AnsysWorkbench 12.0中進行模態分析。圖2(b)為網格劃分后的模型。②添加材料屬性。考慮到鋼絲繩芯輸送帶的內部結構主要由帶芯和其表面的橡膠構成，對輸送帶進行分層建模，分別進行材料屬性的添加，輸送帶的材料屬性見表3。通過對鋼絲繩芯輸送帶的模態分析，得出各階變形圖和固有頻率，了解輸送帶的變形情況，如圖3所示。由各階變形圖可知，物料集中于輸送帶的中間部位，架空部分的邊緣變形最大，是明顯的薄弱部分，并存在扭轉振動。因此，在設計過程中應該適當增加局部剛度和阻尼來抑制輸送帶的振動變形。

表3 輸送帶的材料屬性

圖2 鋼絲繩芯輸送帶有限元模型

圖3 各階振型

模態分析：將同一型號鋼絲繩芯輸送帶分別架設到3種不同直徑的托輥上進行模態分析，得到各階固有頻率。從表4可知，隨著托輥直徑的增大，輸送帶的固有頻率隨之增大。由式(21)得出，托輥轉動頻率為9.578 Hz，遠低于輸送帶的最小固有頻率40.666 Hz，輸送帶在此工況條件下不會發生共振現象。適當增大托輥直徑可避免發生共振[9-12]。共振能夠發生與托輥直徑、間距、輸送帶張力、質量、彎曲剛度和帶速密切相關。減小托輥間距、輸送帶質量和帶速，增大托輥直徑、輸送帶張力和彎曲剛度避免共振發生。帶速和輸送帶不能隨意改變，一般采用增大托輥直徑，在可能發生共振的區域減小托輥間距，在其他區間保持原設計間距的方法。

表4 模態分析不同直徑的托輥結果

2.4 降噪措施的試驗驗證

對上述中間段降噪措施中的采用高分子托輥降噪理論進行試驗驗證。

試驗方法：在力博重工科技股份有限公司的托輥車間，將鋼管和高分子2種不同材質的托輥均放在浸水密封試驗臺上，采用同一調試頻率，進行兩者比較，對高分子托輥的降噪進行驗證性試驗。因浸水密封試驗臺的內部結構復雜，更換托輥較困難，內部傳動結構的尺寸無法測量，故只能得知浸水密封試驗臺的調試頻率，而不能推算該頻率下托輥的轉速。但是在同一調試頻率下托輥的轉速是相同的，所以可以比較相同轉速下鋼管托輥和高分子托輥的噪聲值大小。

試驗結果：當調試頻率為10 Hz時，將鋼管和高分子托輥的噪聲值在時域圖中進行比較，如圖4所示，圖5為調試頻率10 Hz時鋼管托輥和高分子托輥的頻譜。鋼管托輥與高分子托輥噪聲值對比結果見表5，結合由圖4、圖5可知，采用鋼管托輥和高分子托輥在同一轉速下產生的噪聲波動范圍，鋼管托輥的頻譜圖中含有較多的雜亂噪聲信號，而采用高分子托輥測試的噪聲值比鋼管托輥約小10 dB(A)左右，可以有效降低帶式輸送機運轉時產生的噪聲，說明中間段采用高分子托輥的降噪措施是可行的。

表5 鋼管托輥與高分子托輥噪聲值對比

圖4 鋼管和高分子托輥時域分析

圖5 調試頻率10Hz頻譜

3 卸料部降噪措施

3.1 降噪原理

在帶式輸送機的端部通過控制降低物料的下落高度，對物料下落進行緩沖，可以降低物料下落撞擊料斗產生的噪聲。更新料斗材質，降低噪聲。通常料斗是用金屬材料制作，撞擊產生的振動劇烈、幅度大。由于料斗為方便接料，通常面積較大，因此引發噪聲大。要降低撞擊噪聲，就要減小撞擊力，而減小撞擊力一般從3方面入手，即減少振動幅度、減小料斗輻射面積、改變接觸點的材料(增加料斗的阻尼參數)。

3.2 降噪措施及驗證

降噪措施：可將耐磨橡膠面鑲在料斗金屬面內側，在料斗與其他固體連接處由原來的鋼性連接變為彈性連接，使用金屬減振彈簧，橡膠及減振彈簧發生形變將撞擊能量貯存，然后緩慢釋放，降低撞擊噪聲。若物料落差較大，宜采用料斗內設多級溜板結構，減小物料落差高度，溜板可用橡膠塊制作，減振降噪，便于定期更換。根據物料落差高度可選定溜板間距，物料脫離帶面與第1級溜板發生撞擊，后經過第2級溜板，依次直至下一級輸送裝置。由于每級溜板間距小，物料每次降落高度減小，降低撞擊噪聲。在傳送鏈上均勻設置許多小料斗，物料落入料斗給傳遞鏈以沖擊力，傳送鏈吸收撞擊產生動力運轉，避免物料之間發生碰撞降低噪聲。

降噪結果驗證：將耐磨橡膠面鑲在料斗金屬面內側以增加料斗的阻尼參數，對采取降噪措施前后的卸料部進行對比，結果如圖6、圖7所示。可知，卸料部噪聲約降低12 dB(A)。

圖6 物料與金屬撞擊時域分析

圖7 物料與橡膠撞擊時域分析

4 結語

通過適當增加齒數、壓力角、螺旋角、齒寬和精度等級，選用斜齒輪，增大齒面的接觸面積和齒面嚙合接觸線長度，避免間斷產生沖擊振動等措施降低輸送機噪聲。此外，對輸送機中間段進行三維建模及模態分析，得出各階振形圖及固有頻率，探討發生共振的可能性，為今后輸送帶的減振設計提供依據。研究高分子托輥的吸聲性能，得出了高分子材料降噪的原因。對于輸送機卸料部，采用料斗內貼橡膠片、設多級溜板結構減小物料的落料高度具有降噪的可行性，并對降噪措施進行了合理性驗證。