1、华北科技学院毕业设计（论文）I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
2、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
3、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；结构改进中心单链式刮板输送机振动与噪声的有限元分析IIThe Finite Element Analysis of Vibration and N
4、oise of Central Single Chain Scraper ConveyorABSTRACT：The scraper conveyor is a kind of flexible body as a traction mechanism of continuous motive type transport machinery; it is mainly used in coal mining working face or gateway, and other places. Because of the scraper conveyors special structure
5、and working environment and the special requirements of the scrapers during transportation, make the friction between the scrapers and the chute is inevitable, what becomes the main source of noise pollution of a scraper conveyor. The rapid development of computer technology makes the finite element
6、 method (FEM) be widely applied in the field of noise reduction research, but because of the particularity of working environment and the complexity of load, in order to use the finite element method to predict the vibration and noise of the scraper conveyor system simply and effectively, we often a
7、dopt the method of modal analysis. This article first introduces the idea of finite element and several kinds of commonly used software of finite element analysis, and then to a domestic SGD - 630/264 central single chain scraper conveyor as an example. The author takes a part of the chute as the re
8、search object and establishes the finite element model; the modal analysis method has been carried on the detailed research. First of all, the author uses the 3D modeling software Pro/e to establish the finite element model of the scraper transmission system, and summarizes the simplified method of
9、the transmission system calculation model. Select the unit type and take the simplified model for smart grid. Secondly, analyzes the scraper complex stress environment, and puts forward the schemes of the modal analysis to carry out the scraper transmission system solutions. Then, begins the modal a
10、nalysis of SGD - 630/264 by the large-scale finite element analysis software ANSYS, it is concluded that the transmission system of the top 20 order natural frequency and vibration mode. Finally, analyses the results of the first ten orders for the main placing signage of vibration and noise of the
11、scraper transmission system. According to the analysis result, the dynamic stiffness of the scraper chute is poor. Hope to take the method of changing the thickness of the chute to reduce the incidence of the 华北科技学院毕业设计（论文）IIIvibration noise. Import the optimized model into ANSYS, a new modal analys
12、is, the result shows that the natural frequency are increased, reducing the incidence of the vibration noise in theory, but this method of reducing the vibration noise needs to be identified through the experiments. The work of this paper lies in using modal analysis method to analyze the placing si
13、gnage of the vibration noise of the scraper conveyor. The method can provide a reference method of the detection to reduce the vibration noise of the mutual coupling between components in mechanical equipment. Key words: Scraper Conveyor；Vibration and Noise；The Modal Analysis；The Finite Element；Natu
14、ral Frequency；The Chute；Structural Improvement中心单链式刮板输送机振动与噪声的有限元分析IV目录第 1 章 绪 论 .11.1 课题研究背景和意义 .11.2 文献综述 .21.2.1 刮板输送机 .21.2.2 机械振动与噪声的分析方法和控制方法 .51.2.3 噪声与振动控制工程学的国内外发展状况 .71.2.4 有限元法在机械振动与噪声分析中的应用 .91.3 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 .112.1 有限元法的基本理论 .112.1.1 有限元法的分析过程 .112.1.2 有限元法的程序实
15、现 .132.2 通用有限元分析软件 .142.2.1 前后处理器主要软件 .152.2.2 求解器主要软件 .162.3 ANSYS 的主要分析功能 .162.4 ANSYS 分析的一般流程 .182.5 本章小结 .19第 3 章 刮板输送机的模态分析 .203.1 Pro/e 模型的建立 .203.1.1 刮板 Pro/e 模型的建立 .213.1.2 溜槽 Pro/e 模型的建立 .233.1.3 圆环链 Pro/e 模型的建立 .243.2 有限元模型的建立 .253.2.1 单元的选择 .253.2.2 参数的设置 .253.3 刮板输送机各部件有限元模型的建立 .263.4 本章
16、小结 .30第 4 章 刮板输送机振动模态特性分析 .314.1 模态分析理论 .314.2 基于 ANSYS 的模态分析方法 .324.3 刮板输送机振动模态分析 .344.3.1 刮板的振动特性分析 .344.3.2 溜槽的振动特性分析 .374.3.3 圆环链的振动特性分析 .404.4 本章小结 .43第 5 章 基于模态分析的刮板输送机结构改进 .455.1 引言 .455.2 溜槽的结构改进 .455.3 本章小结 .51华北科技学院毕业设计（论文）V第 6 章 结论与展望 .526.1 全文结论 .526.2 研究展望 .52参考文献 .54致 谢 .57中心单链式刮板输送机振动
17、与噪声的有限元分析第 页 共 57 页0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
18、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
19、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
20、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，华北科技学院毕业设计（论文）第 页 共 57 页1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
21、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机头架中心单链式刮板输送机振动与噪声的有限元分析第 页 共 57 页2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
22、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 1-2 SGW-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；
23、 5铲煤板；60.5m 调节槽；71m 调节槽； 8机尾连接槽；9机尾部； 10刮板链；11导向管华北科技学院毕业设计（论文）第 页 共 57 页3图 1-3 SGW-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
24、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。中心单链式刮板输送机振动与噪声的有限元分析第 页 共 57 页4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
25、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。
