中心单链式刮板输送机振动与噪声的有限元分析毕业论文.docx

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中心单链式刮板输送机振动与噪声的有限元分析毕业论文

中心单链式刮板输送机振动与噪声的有限元分析

摘要：

刮板输送机是一种以挠性体作为牵引机构的连续动作式运输机械，它主要用于采煤工作面或顺槽等其他场所。

由于刮板输送机特殊的结构和工作环境，以及对刮板在运输过程中的特殊要求，使得刮板与溜槽之间的摩擦在所难免，成为刮板输送机噪声污染的主要来源。

计算机技术的快速发展使得有限元方法在降噪研究领域得到广泛应用，但是由于工作环境的特殊性和所受载荷的复杂性，为了简单而有效地利用有限元方法预测刮板输送系统的振动和噪声，我们常常采用模态分析的方法。

本文首先介绍了有限元的思想和有限元分析的几种常用软件，然后以国产SGD-630/264中心单链式刮板输送机为例，取其在实际工况下的一段溜槽为研究对象建立有限元模型，对模态分析方法进行了详细的研究。

首先，利用三维建模软件Pro/e建立了刮板传动系统的有限元模型，总结了传动系统计算模型的简化方法。

选择单元类型并将简化后的模型进行智能网格划分。

其次，对刮板复杂的受力环境进行了分析，并提出对刮板传动系统进行模态分析的方案。

然后，通过大型有限元分析软件ANSYS对SGD-630/264进行模态分析计算，得出传动系统主要部件前二十阶的固有频率和振型。

最后，对计算结果进行分析，分析刮板传动系统振动噪声的主要发生源。

根据分析结果，发现刮板传动系统中溜槽的动刚度不足是造成刮板输送机振动噪声的主要原因。

希望通过改变溜槽厚度的方法来降低振动噪声发生的概率。

将改进后的模型导入ANSYS中，重新进行模态分析，结果显示固有频率有所升高，在理论上减少了振动噪声发生的概率，但是这种降低振动噪声的方法还有待通过实验鉴定。

本文的工作主要在于用模态分析的方法分析刮板输送机振动噪声的发生源，这种方法为机械设备中相互耦合的部件之间的振动噪声的检测，提供了一种可以借鉴的降低振动噪声的方法。

关键词：

刮板输送机；振动与噪声；模态分析；有限元；固有频率；溜槽；结构改进

TheFiniteElementAnalysisofVibrationandNoiseofCentralSingleChainScraperConveyor

ABSTRACT：

Thescraperconveyorisakindofflexiblebodyasatractionmechanismofcontinuousmotivetypetransportmachinery;itismainlyusedincoalminingworkingfaceorgateway,andotherplaces.Becauseofthescraperconveyor’sspecialstructureandworkingenvironmentandthespecialrequirementsofthescrapersduringtransportation,makethefrictionbetweenthescrapersandthechuteisinevitable,whatbecomesthemainsourceofnoisepollutionofascraperconveyor.Therapiddevelopmentofcomputertechnologymakesthefiniteelementmethod（FEM）bewidelyappliedinthefieldofnoisereductionresearch,butbecauseoftheparticularityofworkingenvironmentandthecomplexityofload,inordertousethefiniteelementmethodtopredictthevibrationandnoiseofthescraperconveyorsystemsimplyandeffectively,weoftenadoptthemethodofmodalanalysis.

Thisarticlefirstintroducestheideaoffiniteelementandseveralkindsofcommonlyusedsoftwareoffiniteelementanalysis,andthentoadomesticSGD-630/264centralsinglechainscraperconveyorasanexample.Theauthortakesapartofthechuteastheresearchobjectandestablishesthefiniteelementmodel;themodalanalysismethodhasbeencarriedonthedetailedresearch.

Firstofall,theauthorusesthe3DmodelingsoftwarePro/etoestablishthefiniteelementmodelofthescrapertransmissionsystem,andsummarizesthesimplifiedmethodofthetransmissionsystemcalculationmodel.Selecttheunittypeandtakethesimplifiedmodelforsmartgrid.Secondly,analyzesthescrapercomplexstressenvironment,andputsforwardtheschemesofthemodalanalysistocarryoutthescrapertransmissionsystemsolutions.Then,beginsthemodalanalysisofSGD-630/264bythelarge-scalefiniteelementanalysissoftwareANSYS,itisconcludedthatthetransmissionsystemofthetop20ordernaturalfrequencyandvibrationmode.Finally,analysestheresultsofthefirsttenordersforthemainplacingsignageofvibrationandnoiseofthescrapertransmissionsystem.

Accordingtotheanalysisresult,thedynamicstiffnessofthescraperchuteispoor.Hopetotakethemethodofchangingthethicknessofthechutetoreducetheincidenceofthevibrationnoise.ImporttheoptimizedmodelintoANSYS,anewmodalanalysis,theresultshowsthatthenaturalfrequencyareincreased,reducingtheincidenceofthevibrationnoiseintheory,butthismethodofreducingthevibrationnoiseneedstobeidentifiedthroughtheexperiments.

Theworkofthispaperliesinusingmodalanalysismethodtoanalyzetheplacingsignageofthevibrationnoiseofthescraperconveyor.Themethodcanprovideareferencemethodofthedetectiontoreducethevibrationnoiseofthemutualcouplingbetweencomponentsinmechanicalequipment.

Keywords:

ScraperConveyor；VibrationandNoise；TheModalAnalysis；TheFiniteElement；NaturalFrequency；TheChute；StructuralImprovement

目录

第1章绪论1

1.1课题研究背景和意义1

1.2文献综述2

1.2.1刮板输送机2

1.2.2机械振动与噪声的分析方法和控制方法5

1.2.3噪声与振动控制工程学的国内外发展状况7

1.2.4有限元法在机械振动与噪声分析中的应用9

1.3本课题研究的内容10

第2章有限元法和ANSYS的基本功能与应用11

2.1有限元法的基本理论11

2.1.1有限元法的分析过程11

2.1.2有限元法的程序实现13

2.2通用有限元分析软件14

2.2.1前后处理器主要软件15

2.2.2求解器主要软件16

2.3ANSYS的主要分析功能16

2.4ANSYS分析的一般流程18

2.5本章小结19

第3章刮板输送机的模态分析20

3.1Pro/e模型的建立20

3.1.1刮板Pro/e模型的建立21

3.1.2溜槽Pro/e模型的建立23

3.1.3圆环链Pro/e模型的建立24

3.2有限元模型的建立25

3.2.1单元的选择25

3.2.2参数的设置25

3.3刮板输送机各部件有限元模型的建立26

3.4本章小结30

第4章刮板输送机振动模态特性分析31

4.1模态分析理论31

4.2基于ANSYS的模态分析方法32

4.3刮板输送机振动模态分析34

4.3.1刮板的振动特性分析34

4.3.2溜槽的振动特性分析37

4.3.3圆环链的振动特性分析40

4.4本章小结43

第5章基于模态分析的刮板输送机结构改进45

5.1引言45

5.2溜槽的结构改进45

5.3本章小结51

第6章结论与展望52

6.1全文结论52

6.2研究展望52

参考文献54

致谢57

第1章绪论

1.1课题研究背景和意义

噪声被列为当今世界的三大主要污染源之一。

控制噪声污染已经成为环境保护的重要内容。

为了控制噪声污染，改善人们的生活和工作环境，世界各国都投入了大量的人力物力开展减震降噪方面的研究，并制定了一系列标准与法规，取得了较大的进展。

世界发达国家的噪声控制设备的产值平均以10-15%的速度增加，中国在2007年噪声控制设备厂厂值已经达到6.2亿元，“八五”期间用于噪声治理的工程费用已达到9.2亿元。

近些年，国家对环保的重视以及对环保投入的不断增加，也使得人们对工作和生活环境的质量要求日益提高[1]。

随着社会的发展以及人们对职业安全的进一步重视，煤矿工人的人生安全得到了一定的保障。

然而随着生活水平的提高，人们对良好工作环境的渴望也日益增强。

煤矿工人由于特殊的工作环境和条件，使得更多的人们开始对他们的工作环境也高度重视起来。

目前的煤矿开采设备朝着大型化、自动化方向发展，采煤量的增加使得运煤机械的载荷越来越大，这就导致大功率机械引起的噪声越来越严重。

噪声污染已经成为影响工人工作环境的主要因素。

刮板输送机在运行时会受到外界载荷影响而发生受迫振动，如果外界载荷产生的振动频率接近刮板链自身的固有频率，则刮板链会产生很大的噪声，并且影响刮板链的工作寿命。

因此，分析刮板传动系统的固有频率对增加刮板的使用寿命、降低噪声污染以及改进刮板的生产工艺有着重要的指导意义。

由于刮板输送机特殊的结构和工作环境，它有很多优点，所以刮板输送机是迄今为止综采工作面唯一的运输设备。

但是刮板输送机在工作过程中，刮板链和货载要克服很大的摩擦阻力在溜槽中运行，因此消耗功率很大，而且会产生很大的噪声，使得工人的工作环境更加恶劣。

鉴于刮板输送机的无可替代性，改进其生产技术以改善工人的工作环境成了唯一的可能[2]。

刮板的形状有特殊的要求，要能够在运行中有刮底清帮、防止煤粉黏结和堵塞的作用，并应尽量减小质量。

由于刮板的这种性能要求，使得刮板与溜槽的摩擦在所难免，就会产生很大的噪声。

为了改进刮板的形状以及加工工艺，就得进行理论分析以及科学试验。

目前根据理论分析已能确定刮板的轮廓标准尺寸，但研究不能停留在理论上，需要实践的检验。

可是大量的科学试验增加了生产的成本，费时费力。

此时，虚拟技术便展现出其独特的优势，在接近实际的情况下，可以大大地节约人力、物力和时间。

通过有限元对刮板输送机进行模态分析，我们不仅可以省时省力，还能准确地知道刮板输送机主要部件各模态的固有频率以及振型，并且可以对相关部件进行结构改进设计，对改进刮板输送机各部件的形状以及生产工艺起到指导作用，以满足目前工业生产周期短的需求。

本文使用的ANSYS有限元分析软件分析刮板输送机主要部件的固有频率以及振型，为改良刮板输送机的工艺性和改善其工作环境提供理论依据。

1.2文献综述

1.2.1刮板输送机

（1）刮板输送机的主要组成部分及工作原理

刮板输送机是目前国内外缓倾斜长臂式采煤工作面唯一的煤炭运输设备。

不同类型的刮板输送机其各组成部件的形式和布置方式不同，但组成部件和主要结构则基本相同。

图1-1所示为可弯曲刮板输送机的外形图。

图1-1可弯曲刮板输送机外形

1—电动机；2—液力耦合器；3—减速器；4—溜槽；5—铲煤板；6—刮板链；7—机头架

可弯曲刮板输送机的组成及传动系统如图1-2和图1-3所示。

其主要组成部分有：

机头部1（包括机头架、电动机、液力耦合器、减速器、链轮组件等）、机尾部9（包括机尾架、电动机、液力耦合器、减速器、链轮组件等）、中间部（包括中间溜槽、连接溜槽、调节溜槽、刮板链）、附属装置（紧链器、铲煤板、挡煤板、防滑锚固装置）以及供移动输送机用的移溜装置。

刮板输送机的工作原理是:

由绕过机头链轮和机尾链轮（或滚筒）的无极循环的刮板链作为牵引机构，以溜槽作为承载机构，电动机经液力耦合器、减速器带动链轮旋转，从而带动刮板链连续运转，将装在溜槽中的货载从机尾运到机头处卸载转运。

上部溜槽是运输机的重载工作槽，下部溜槽是刮板链的回空槽。

图1-2SGW-150B型刮板输送机总图

1—机头部；2—机头连接槽；3—中部槽；4—挡煤板；5—铲煤板；6—0.5m调节槽；

7—1m调节槽；8—机尾连接槽；9—机尾部；10—刮板链；11—导向管

图1-3SGW-150B型刮板输送机传动系统图

1—电动机；2—液力耦合器；3—减速器；4—链轮；5—盲轴；6—刮板链

（2）刮板输送机的优缺点

刮板输送机所以能在采煤工作面运输中得到广泛应用，是由于它和其他运输机相比具有以下优点：

运输能力不受货载的块度和湿度的影响；机身高度小，便于装载；机身伸长或缩短方便；移置容易；机体坚固，能用于爆破工作面，也能与采煤机和自移式液压支架组成综采工作面。

刮板输送机的缺点是：

工作阻力大，耗电量大，溜槽磨损严重，维修和使用不当时易断链，运输距离也受到一定限制。

（3）刮板输送机的主要类型

国内外生产和使用的刮板输送机类型很多。

按牵引链的结构分为片式套筒链、可拆模锻链和焊接圆环链刮板输送机；按链条数目及其布置方式分为单链、双边链、双中心链及三链刮板输送机（如图1-4所示）；按溜槽的布置方式和结构可分为并列式、重叠式、敞底溜槽式和封底溜槽式刮板输送机等多种；按传动方式可分为电力传动和液压传动输送机。

它们的使用条件随运输能力和结构特点的不同而异[3]。

图1-4输送链的布置方式

（a）双边式；（b）双中式；（c）中心单链；（d）三链

1.2.2机械振动与噪声的分析方法和控制方法

（1）机械振动与噪声分析方法

机械振动与噪声分析是识别与控制振动源的重要环节。

与其它工程应用学科一样，解决振动与噪声问题的途径或者说研究方法，不外乎理论分析和试验研究两个方面。

随着电子计算机技术的飞速发展，振动与噪声问题的数值计算可以解决规模很大（自由度很高）的问题并可达到很高的精度。

同时，由于电子测试仪器的发展和完善，振动与噪声试验已发展成为一种独立的解决问题的手段。

这两者互为补充并相互促进，为解决复杂的振动与噪声问题提供可有效手段。

在机械振动问题的理论分析中，一般将所研究的对象（如机器）称为系统（System）,将外界对系统的作用或机器运动产生的力称为激励（Excitation）或输入（Input）,将机器在激励作用下产生的动态行为称为响应（Response）或输出（Output）。

机械振动问题所涉及的内容如图1-5所示，振动分析就是确定激励-系统-响应三者间的相互联系，根据其中二者去研究第三者。

振动分析的一个首要问题是建立系统的数学模型。

表达系统力学特性的数学方程称为系统的数学模型。

为了建立系统的数学模型，要对系统进行简化，忽略一些次要因素，而突出它的主要力学性能，然后根据力学原理建立描述系统力学特性的数学方程。

建立数学模型是进行振动分析的关键性步骤，它既决定了振动分析的正确性和精度，又决定了振动分析的可行性和精简程度。

图1-6给出了机械工程振动分析的一般步骤。

对于实际工程振动问题，首先要对机械结构特点进行分析，抓住结构的主要力学特性，形成待解决问题的物理模型。

然后选择适当的坐标系和坐标，根据力学基本定律建立系统的数学模型。

其次，选择微分方程的求解方法，有定量和定性方法，工程问题一般通过数值方法求近似解。

最后，对结果进行分析，既要从理论上分析数值模拟的合理性，又要与试验测试结果进行比较，只有二者的吻合程度满足工程要求，振动问题分析才算告一段落，否则就要修改数学模型，甚至修改物理模型，检查试验工作的可信度和改善试验技术，重新开始上述相关工作，找出问题的症结，直至最后解决问题。

（2）机械振动与噪声控制方法

研究机械振动与噪声问题的主要目的之一，就是采取有效手段控制其危害。

以噪声控制为例，噪声问题划分为声源、路径和接受者三个主要环节。

声源和噪声传递的路径可能有多个，接受者一般为人，也可以是生物、仪器、设备和建筑物等。

机械噪声问题所涉及的内容如图1-7所示，噪声分析就是确定声源-路径-接受者三者间的相互关系，采取有效措施减小或控制噪声危害，利用噪声信号预测动力机组的安全运行状况。

对机械噪声的控制，最根本的方法是对噪声源本身的控制。

声源种类不同，其控制方法也不同。

对机械结构噪声源主要是控制机械的振动，包括机械振动本身控制和机械振动传播控制（即固体声传播控制），前者是机械系统的设计问题，后者则是隔振措施的设计问题。

对空气动力性噪声源要控制气体振动的产生，防止气体中压力突变和涡流等。

为了控制声源，在机械的技术设计阶段中，应该将噪声作为重要的设计指标，根据设计图纸对噪声做出预报，若不能到达预期的目标，则进行修改，以实现机械的低噪声设计。

在低噪声结构设计中，要对那些可能出现交变力的工作方式、工作过程或零部件给予足够重视。

控制噪声传播的途径是噪声控制的另一个环节。

通过限制和改变噪声的传播途径，使噪声在传播的过程中衰减，以减小对接受者的影响。

控制声音在室内外、结构内和管道内的传播可以利用壁障、吸声材料、刚性结构的断面突变、阻塞孔洞、消声器、隔声罩、封闭的隔声间使噪声局限在声源附近等方法。

需要重点支出的是，噪声控制的方法中最直接、最有效、最经济的措施就是降低声源噪声。

因此，噪声控制的首选措施是低噪声设计[4]。

1.2.3噪声与振动控制工程学的国内外发展状况

我国的声环境现状随着经济的飞速发展，在工业化、城市化的进程中，由于对声环境的建设处于零散、随机的自发状态，声环境质量还有不断恶化的趋势。

总的来说，在数量上，噪声源数量暴涨，包括流动噪声源、动力噪声源、工业噪声源、建筑噪声源、生活噪声源等等；在范围上，几乎覆盖了社会生活的各个角落；在强度上，与人口的密集程度成正相关。

究其原因，工业化促进城镇化，经济全球化加速了城镇化进程，工业化是因，城镇化、全球化是果。

我国的城镇化从1949年的11.2%，增加到1979年的18%，30年增加6.8%，近2亿人。

从1979年到2005年的25年间，增长到43.35%，增长了25%，5.6亿城市人口发达国家城市化率55-60%，中国还可能增加12-17%，达到8-9亿人。

中国的农民工不再当候鸟，大量变成城市人口。

由于电网电站的数量增加，高压、超高压、特高压…能使人发疯的低频噪声，在全国各类环境污染投诉中，噪声污染投诉率高达64%！

噪声引起的损伤以至于死亡，大幅增加！

噪声与振动控制（NVC）是解决物质运动相互关系的和谐与平衡，由此决定了其具有服务业的本质。

NVC工程学的两大任务：

一是根据人对物质运动所传递出的声动信息的主观感受调节其平衡；二是根据物质运动所传递出的声动信息而判断物质运动的客观状况并加以干预。

NVC工程学有三个重要的发展趋势。

第一，技有界而用无疆。

运动是物质的存在形式。

理论上，噪声与振动控制可用于一切物体相互作用的场合。

科学上的限制条件更加刚性，而噪声控制工程的应用范围随着经济发展领域的扩大而迅猛扩大。

第二，守其有而用其无。

质能转换的同一性和信息形式的多样性，使得达到平衡目的的关键往往是各学科技术手段的平衡，而不在NVC技术本身，是对其它学科技术的正确综合运用。

第三，新材料、新方法、新评价。

学科的综合运用使得原有技术已经不能完全满足现实的要求，需求呼唤技术创新，由此带来新的评价方法。

噪声与振动控制设备方面，发达国家凭借其先进技术和制造水平的优势，在环境监测仪器领域取得了长足的进步。

微电子技术、计算机技术在环境监器中的广泛应用，改变了传统产品静态、单机、单参数测试的状况，使多机编组数据采集处理、处理过程控制及与管理系统连接实现了智能化监视调控。

一大批具有信息采集、数据存储处理、显示、打印并可根据监测对象状态自动改变量程的新环境监测仪器产品不断推向市场。

通过产品结构调整，采用集成线路微电子技术，快速、便携、多功能的采样系统和环境监测仪器的产品比重有明显提高。

激光、光纤技术的应用使烟气监测实现了非接触测量，并可达到多点连续自动监测的要求。

遥测遥感技术的发展为大范围的污染监测、环境数据采集分析预测评价等创造了更为便利的条件。

随着环境监测分析方法国际标准化工作的进展，使环境监测仪器的定型化、标准化程度有所提高，从而为国际间环境监测数据的可比性提供了可靠的科学技术基础。

生物传感器、陶瓷传感器、声敏传感器的研制开发为新一代生物测量及其他物化测量仪器奠定了基础。

以BOD快速测定仪为代表的生物污染监测仪器的发展，将使生物技术在环境工程方面的应用领域进一步拓宽。

　　发达国家在噪声与