CN108374806B - 一种矿用压风机磁流变压电主动吸音消音器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种矿用压风机消音器，具体涉及一种矿用压风机磁流变压电主动吸音消音器。包括中空的圆柱形筒体，沿筒体轴线两端分别设有进气管和出气管；筒体包括壳体和固定体，固定体上开有若干圆柱孔，圆柱孔内设有磁锥；筒体内由左隔板和右隔板沿垂直筒体轴线方向将筒体分隔为第一腔体、第二腔体和第三腔体；左隔板上固设有与筒体同轴的中心轴，中心轴的右端套有与中心轴固定连接的套筒，中心轴的左端套有与中心轴转动连接的联轴器，转轴通过螺钉安装在伸入到第一腔体中的联轴器左端；转轴的细轴上套设有风扇叶片；优势与特色：利用风扇叶片将声能转变成机械能，吸声能力强；利用磁锥声阻抗梯度的连续变化将声能化为热能，吸声系数高。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿用压风机消音器，具体涉及一种矿用压风机磁流变压电主动吸音消音器。
背景技术
煤矿压风机是主要用在煤矿巷道送风、增氧、排瓦斯等的气动设备的动力提供上，压风机噪声主要由机械噪声和空气动力性噪声(即进、排气口的噪声)两部分组成，其中空气动力性噪声声级较大。现有的压风机正常运行噪音达130分贝，导致噪音污染严重，对井下矿工的身体损害较大。消音器是阻止声音传播而允许气流通过的一种器件，是消除空气动力性噪声的重要措施。现有的消音器主要根据抗、喷、阻复合消声原理所研制，主要有小孔喷注和扩容吸声。现有技术中消声器的排气消音效果不够理想，原因在于：1.基于小孔喷注的消音方法由于每一个孔都有自己的固有频率，只有在网孔固有频率附近的某些频率的声波才能通过网孔，故吸声系数低，吸收频带窄，且不易控制；2.基于阻抗匹配的吸音方法对低频的效果好而高频效果差；3.体积大、维修成本较高、风量损失大。
利用吸声材料或吸声结构来降低噪声的方法称为吸声降噪，吸声降噪是噪声控制中很重要的一个手段。吸声材料和吸声结构的种类很多，一般可分为单层吸声材料和多层吸声材料，它们都是被动吸声；而有别于被动吸声的主动吸声方法是从噪声传播途径上和受声体进行控制，它的控制目标是使入射声波的反射系数很小或接近于零，形成“黑洞”现象，使得吸声系数达到最大，从而达到吸声降噪的目的。与传统的吸声技术相比，主动吸声技术可使吸声系数根据外界噪声的变化而变化，实现噪声的主动控制。
发明内容
针对现有矿用压风机消音器存在的问题，本发明采用的实施方案是：一种矿用压风机磁流变压电主动吸音消音器，包括中空的筒体，沿筒体一端偏离轴线的位置设有进气管，沿筒体另一端轴线的位置设有出气管，进气管的右端为圆锥形；筒体包括壳体和固定体，固定体上开有若干圆柱孔，圆柱孔内设有磁锥；磁锥由圆柱形永磁体和被磁化后覆盖在永磁体上的圆锥形磁流变液一组成；筒体内由左隔板和右隔板沿垂直筒体轴线方向将筒体分隔为第一腔体、第二腔体和第三腔体，进气管与第一腔体相通，出气管与第三腔体相通；左隔板和右隔板通过螺钉固定在筒体上，左隔板和右隔板上均布地分别开有喇叭形的左流通孔和右流通孔；左隔板上固设有与筒体同轴的中心轴，中心轴的右端套有与中心轴固定连接的套筒，中心轴的左端套有与中心轴转动连接的联轴器，套筒通过螺钉固定在右隔板上；联轴器与左隔板间设有滚动轴承，转轴通过螺钉安装在伸入到第一腔体中的联轴器左端；转轴的细轴上套设有风扇叶片，风扇叶片由圆环形的压电晶片和金属基板粘接而成；联轴器上套有橡胶弹簧圈，橡胶弹簧圈的后端设有固定在套筒上的磁轭，磁轭的外围固定有外环片，外环片与联轴器之间设有滑动的衔铁滑环，由橡胶弹簧圈、衔铁滑环、外环片、磁轭围成的封闭空间内充入磁流变液二；磁轭内设有线圈，联轴器上开有键槽，键槽内设有若干带牙的内片，内片穿过橡胶弹簧圈伸入磁流变液二中，外环片的内壁上设有若干伸入磁流变液二中的带牙的外片，所述内片与外片交错设置，衔铁滑环的内壁上设有压块，联轴器与中心轴之间通过滚动轴承连接，联轴器上设有在衔铁滑环回位时限位的隔磁挡圈。
本发明中，为提高风扇叶片的吸音降噪能力和可靠性，风扇叶片套设在细轴上，并与轴向成一定的倾斜角β(类似电风扇叶片倾斜角)，风扇叶片倾斜角为β＝110°，风扇叶片为弯曲的彩虹型结构，压电晶片的曲率半径小于金属基板的曲率半径，压电晶片为0.15～0.3mm的PZT4，金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片的厚度之比为1～2.5，此时风扇叶片的吸音降噪能力较强。
气流进入第一腔体吹到风扇叶片时，气流中声波的振动使压电晶片所受的应力交替增加和减小的过程即将声能转换成电能，压电晶片所生成的电能全部经导线传输到能量转换与存储电路为线圈供电；同时，气体动压力驱动风扇叶片旋转，带动转轴及内片旋转，线圈通电，磁流变液二变为类固体，衔铁滑环r和压块w受到通电线圈y产生磁性吸引向右滑动，挤压内片s和外片k，对内部的磁流变液二h2挤压，根据磁流变液挤压原理，通过挤压会使其阻尼力成倍增加，内片s相对外片k运动产生更大的阻尼力，从而将风能转换为机械能；在线圈断电后，通过橡胶弹簧圈使内片恢复到原来的状态，磁流变液二变为牛顿流体。在消音器工作状态时，利用线圈产生的磁场对衔铁滑环的吸引，对磁流变液二产生挤压和剪切力，可以增大内片和外片间阻尼力。由压电晶片的正压电效应可知，压电晶片在压力作用下产生的电荷量与压力大小成正比，因此，施加到线圈上的电流大小受压电晶片产生的电荷值控制，线圈中电流的改变可引起磁场大小的改变，磁场的改变使得磁流变液二的力学性能改变，即内片的阻尼力发生改变，通过自动调整内片的阻尼力调整转轴的转速不仅可以调整耗能大小，还可控制因风扇叶片旋转而带来的气流再生噪声大小。
磁锥是根据逐渐过渡原理，使磁流变液一在永磁体上被永磁体磁化成圆锥形，利用声阻抗的逐渐变化，从尖端到底部，声阻抗是从空气的特性阻抗逐步过渡到磁流变液一的阻抗，从而形成梯度阻抗；由于磁锥阻抗连续变化，声波在磁锥内发生多次反射和能量耗散，有效的提高了磁锥的吸声特性；同时，进气管的气口为圆锥形，左流通孔和右流通孔的两端为喇叭形，可以减少气流再生噪声的产生。
优势与特色：1)利用磁锥声阻抗梯度的连续变化，将声能化为热能，吸声系数高；2)利用风扇叶片将气流的动能转变成机械能，降低各种频带的声功率，削弱噪声，可靠性高；3)根据压风机转速变化利用风扇叶片动态主动吸声，实现声阻抗的自我调节；4)利用磁流变液挤压原理，可使声能更快的转化。
附图说明
图1为本发明一个较佳实施例中一种矿用压风机磁流变压电主动吸音消音器工作状态的结构示意图；
图2为本发明一个较佳实施例中一种矿用压风机磁流变压电主动吸音消音器非工作状态的结构示意图；
图3为本发明一个较佳实施例中磁锥的吸声系数与频率关系曲线。
具体实施方式
一种矿用压风机磁流变压电主动吸音消音器，包括中空的筒体V，沿筒体V一端偏离轴线的位置设有进气管a，沿筒体V另一端轴线的位置设有出气管p，进气管a的右端为圆锥形；筒体V包括壳体b和固定体c，固定体c上开有若干圆柱孔，圆柱孔内设有磁锥X；磁锥X由圆柱形永磁体d和被磁化后覆盖在永磁体d上的圆锥形磁流变液一h1组成；筒体V内由左隔板g和右隔板m沿垂直筒体V轴线方向将筒体V分隔为第一腔体A、第二腔体B和第三腔体C，进气管a与第一腔体A相通，出气管p与第三腔体C相通；左隔板g和右隔板m通过螺钉固定在筒体V上，左隔板g和右隔板m上均布地分别开有喇叭形的左流通孔g1和右流通孔m1；左隔板g上固设有与筒体V同轴的中心轴V，中心轴v的右端套有与中心轴v固定连接的套筒u，中心轴v的左端套有与中心轴v转动连接的联轴器f，套筒u通过螺钉固定在右隔板m上；联轴器f与左隔板g间设有滚动轴承，转轴t通过螺钉安装在伸入到第一腔体A中的联轴器f左端；转轴t的细轴t1上套设有风扇叶片E，风扇叶片E由圆环形的压电晶片e1和金属基板e2粘接而成；联轴器f上套有橡胶弹簧圈j，橡胶弹簧圈j的后端设有固定在套筒u上的磁轭n，磁轭n的外围固定有外环片i，外环片i与联轴器f之间设有滑动的衔铁滑环r，由橡胶弹簧圈j、衔铁滑环r、外环片i、磁轭n围成的封闭空间内充入磁流变液二h2；磁轭n内设有线圈y，联轴器f上开有键槽，键槽内设有若干片带牙的内片s，内片s穿过橡胶弹簧圈j伸入磁流变液二中h2，外环片i的内壁上设有若干片伸入磁流变液二h2中的带牙的外片k，所述内片s与外片k交错设置，衔铁滑环r的内壁上设有压块w，联轴器f与中心轴v之间通过滚动轴承连接，联轴器f上设有在衔铁滑环r回位时限位的隔磁挡圈q。
本发明中，为提高风扇叶片E的吸音降噪能力和可靠性，风扇叶片E套设在细轴t1上，并与轴向成一定的倾斜角β(类似电风扇叶片倾斜角)，风扇叶片E倾斜角为β＝110°，风扇叶片E为弯曲的彩虹型结构，压电晶片e1的曲率半径小于金属基板e2的曲率半径，压电晶片e1为0.15～0.3mm的PZT4，金属基板e2为铍青铜，金属基板e2与压电晶片e1的厚度之比为1～2.5，此时风扇叶片E的吸音降噪能力较强。
气流进入第一腔体吹到风扇叶片E时，气流中声波的振动使压电晶片e1所受的应力交替增加和减小的过程即将声能转换成电能，压电晶片e1所生成的电能全部经导线传输到能量转换与存储电路为线圈y供电；同时，气体动压力驱动风扇叶片E旋转，带动转轴t及内片s旋转，线圈y通电，磁流变液二h2变为类固体，衔铁滑环r和压块w受到通电线圈y产生磁性吸引向右滑动，挤压内片s和外片k，对内部的磁流变液二h2挤压，根据磁流变液挤压原理，通过挤压会使其阻尼力成倍增加，内片s相对外片k运动产生更大的阻尼力，从而将风能转换为机械能；在线圈y断电后，通过橡胶弹簧圈j使内片s恢复到原来的状态，磁流变液二h2也变为牛顿流体。在消音器工作状态时，利用线圈y产生的磁场对衔铁滑环r的吸引，对磁流变液二h2产生挤压和剪切力，可以增大内片s和外片k间阻尼力。由压电晶片e1的正压电效应可知，压电晶片e1在压力作用下产生的电荷量与压力大小成正比，因此，施加到线圈y上的电流大小受压电晶片e1产生的电荷值控制，线圈k中电流的改变可引起磁场大小的改变，磁场的改变使得磁流变液二h2的力学性能改变，即内片s的阻尼力发生改变，通过自动调整内片s的阻尼力调整转轴t的转速不仅可以调整耗能大小，还可控制因风扇叶片E旋转而带来的气流再生噪声大小。
磁锥X是根据逐渐过渡原理，使磁流变液一h1在永磁体d上被永磁体d磁化成圆锥形，利用声阻抗的逐渐变化，从尖端到底部，声阻抗是从空气的特性阻抗逐步过渡到磁流变液一h1的阻抗，从而形成梯度阻抗；由于磁锥X阻抗连续变化，声波在磁锥X内发生多次反射和能量耗散，有效的提高了磁锥X的吸声特性；同时，进气管a的气口为圆锥形，左流通孔g1和右流通孔m1的两端为喇叭形，可以减少气流再生噪声的产生。
Claims (1)
1.一种矿用压风机磁流变压电主动吸音消音器，其特征在于：包括中空的筒体，沿筒体一端偏离轴线的位置设有进气管，沿筒体另一端轴线的位置设有出气管，进气管的右端为圆锥形；筒体包括壳体和固定体，固定体上开有若干圆柱孔，圆柱孔内设有磁锥；磁锥由圆柱形永磁体和被磁化后覆盖在永磁体上的圆锥形磁流变液一组成；筒体内由左隔板和右隔板沿垂直筒体轴线方向将筒体分隔为第一腔体、第二腔体和第三腔体，进气管与第一腔体相通，出气管与第三腔体相通；左隔板和右隔板通过螺钉固定在筒体上，左隔板和右隔板上均布地分别开有喇叭形的左流通孔和右流通孔；左隔板上固设有与筒体同轴的中心轴，中心轴的右端套有与中心轴固定连接的套筒，中心轴的左端套有与中心轴转动连接的联轴器，套筒通过螺钉固定在右隔板上；联轴器与左隔板间设有滚动轴承，转轴通过螺钉安装在伸入到第一腔体中的联轴器左端；转轴的细轴上套设有风扇叶片，风扇叶片由圆环形的压电晶片和金属基板粘接而成；联轴器上套有橡胶弹簧圈，橡胶弹簧圈的后端设有固定在套筒上的磁轭，磁轭的外围固定有外环片，外环片与联轴器之间设有滑动的衔铁滑环，由橡胶弹簧圈、衔铁滑环、外环片、磁轭围成的封闭空间内充入磁流变液二；磁轭内设有线圈，联轴器上开有键槽，键槽内设有若干带牙的内片，内片穿过橡胶弹簧圈伸入磁流变液二中，外环片的内壁上设有若干伸入磁流变液二中的带牙的外片，所述内片与外片交错设置，衔铁滑环的内壁上设有压块，联轴器与中心轴之间通过滚动轴承连接，联轴器上设有在衔铁滑环回位时限位的隔磁挡圈；风扇叶片套设在细轴上，并与轴向成一定的倾斜角β，风扇叶片倾斜角为β＝110°，风扇叶片为弯曲的彩虹型结构，压电晶片的曲率半径小于金属基板的曲率半径，压电晶片为0.15～0.3mm的PZT4，金属基板为铍青铜，金属基板与压电晶片的厚度之比为1～2.5，此时风扇叶片的吸音降噪能力较强。
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