食品機械中自修復材料齒輪應用及噪聲影響

肖 君， 張 力， 陳 浩

(北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048)

食品機械中自修復材料齒輪應用及噪聲影響

肖 君， 張 力， 陳 浩

(北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048)

介紹了復合材料的自修復技術及微膠囊自修復原理，提出在食品機械中采用加入微膠囊自修復材料的復合材料齒輪，實現食品機械減重、降噪.通過對新型齒輪復合材料試件摩擦過程中不同溫度下的噪聲數據分析和對比，探討了自修復微膠囊對復合材料齒輪振動噪聲性能的影響.實驗結果表明，自修復微膠囊降低了齒輪的摩擦噪聲.

食品機械;自修復;齒輪;噪聲

齒輪傳動是傳遞動力和運動的主要方式，傳統食品機械通常采用金屬齒輪傳動，存在著質量重、噪聲大的缺點.隨著復合材料的飛速發展，新型復合材料齒輪已開始在食品、紡織機械中推廣應用，如何提高復合材料齒輪性能成為近年齒輪研究的熱門課題.

1 自修復技術概述

1.1 自修復復合材料

隨著科學技術的不斷進步，復合材料作為一種新材料得到了迅猛發展.復合材料有較高的比強度和比模量、各向異性和可設計性、良好的抗疲勞特性，以及傳動噪聲低、吸振、可開模加工，生產效率高等諸多優點［1］.但是，復合材料存在著初始缺陷或裂紋，這種微裂紋的出現和擴展將引起材料整體性能下降，導致構件過早失效，最終導致材料破壞.因此，需要對復合材料加以進一步的研究.

所謂自修復是指材料一旦產生缺陷，在無外界作用的情況下材料本身具有自我恢復的能力.自修復的核心是能量補給和物質補給［2］.隨著聚合物材料的廣泛應用，具有自修復性能的聚合物材料越來越受到重視.它模仿生物組織受傷后的再生、恢復機理，采用粘接材料和基體相復合的方法，對材料的損傷破壞進行自修復，恢復材料原有的性能，從而消除隱患，增強材料的機械強度，延長使用壽命［3］.

1.2 微膠囊自修復技術

微膠囊自修復技術的自修復過程是利用含有愈合劑(或修復劑)的微膠囊與聚合物基復合材料中具有催化活性的化學物質催化反應完成［4］.當聚合物基復合材料受到損傷時，利用膠囊的自感知以及裂紋尖端的應力集中作激勵，使微膠囊破裂，通過毛細管作用將修補劑釋放至受損區域，當修補劑與預先埋置在基體中的催化劑接觸時發生聚合反應，粘接裂紋表面從而修復受損區域.這樣可以有效阻止微裂紋的繼續擴展，大大提高了復合材料的使用壽命，降低了維修與維護成本［5］，如圖1.

1.3 自修復材料在齒輪中的應用

齒輪是食品機械設備的主要零件之一，齒輪失效也是引起機械設備故障的重要原因之一.近年來，用碳纖維、玻璃纖維等增強聚合物基復合材料制成的齒輪，已進入了工業化應用階段，復合材料齒輪已在食品、紡織、化工和印刷機械設備等領域應用［6－7］.

1.4 自修復材料的噪聲影響

任何一個機械結構受到激勵或干擾都會有振動和噪聲.各類機械設備的噪聲發射已列入重要產品質量評價指標.復合材料的出現使人們對材料和結構的固有特性有了新的認識，不僅考慮重量和空間的限制，同時考慮復合材料的聲學性能［8］.

圖1 復合材料自修復示意Fig.1 Schematic diagram of composite self-repair

本項目借鑒目前已廣泛用于醫藥、印刷、化妝品等行業的微膠囊新技術，采用項目負責人所參加的國家自然科學基金項目的部分研究成果，在復合材料齒輪中構建一種新型自修復系統，根據微膠囊自修復機理，將自修復微膠囊加入到聚合物基復合材料齒輪中，從而避免復合材料齒輪因出現疲勞點蝕裂紋和燒傷而失效，以實現食品機械中齒輪自修復、減震降噪和延長使用壽命的目的.

2 自修復復合材料齒輪摩擦噪聲實驗

本文以自行研制的新型齒輪復合材料配方為研究對象，分別提取了兩組材料摩擦過程中不同溫度(溫度指工件自身溫度，下同)下的振動與噪聲的相關數據，并對其進行分析和對比，探討了自修復微膠囊對復合材料齒輪振動噪聲性能的影響.

2.1 實驗設備

實驗所用的儀器設備見表1.

表1 實驗使用的設備Tab.1 Test equipment

2.2 實驗方法與原理

將兩種不同配方的復合材料齒輪試驗樣塊裝卡于定速摩擦試驗機中，利用測試傳聲器獲取摩擦試驗35，40，45，50℃ 4種溫度下的噪聲信號，并將信號導入裝有聲學分析軟件的計算機中，利用軟件對噪聲信號進行分析和處理，從而尋求自修復微膠囊對復合材料齒輪振動噪聲性能的影響的一般規律.

2.3 實驗過程

1)設備連接.

2)校準測試傳聲器.

3)啟動定速摩擦試驗機進行摩擦實驗(見圖2).

圖2 實驗現場Fig.2 Experimental site

4)獲取數據(分別在35，40，45，50 ℃的溫度下，采集兩種不同配方試驗樣塊的噪聲信號)，見表2.

2.4 數據分析

2.4.1 頻譜分析

根據表2，繪制未加膠囊及加入微膠囊配方的試驗樣塊在不同溫度的頻譜圖，該頻譜圖反映了噪聲在不同頻率的聲壓級的大小，即不同頻率的噪聲能量的大小，如圖3和圖4.

圖3 未加微膠囊不同溫度下的頻譜圖Fig.3 Microcapsules did not increase spectrum at different temperatures

表2 不同溫度下頻帶聲壓級Tab.2 Band sound pressure level at different temperarures dB

圖4 加微膠囊不同溫度下的頻譜圖Fig.4 Add micro-capsules of spectrum at different temperatures

通過對比圖3和圖4可以看出:

1)兩種配方摩擦噪聲的聲壓級在50 Hz時都有較強變化，在500 Hz以后聲壓級基本變化不大.

2)在相同溫度相同頻率下，加入微膠囊的聲壓級普遍要比未加微膠囊的小，即加入自修復微膠囊降低了齒輪的摩擦噪聲.

2.4.2 聲壓級分析

調查表明，評價由寬頻率范圍噪聲引起的煩惱和所造成的聽覺危害程度與A計權測量聲級有較好的相關性，因此測量一般噪聲時，多采用A計權.根據表2繪制兩種配方材料不同溫度下的A計權比較圖，如圖5.

圖5 不同溫度下A計權Fig.5 A weighting of different temperatures

可以看出:

1)聲壓級(A計權)隨著溫度的變化略有升高，但溫度對兩組配方噪聲的聲壓級的影響幅度都很小.

2)加入微膠囊的材料振動噪聲在各溫度下都比未加入微膠囊材料的振動噪聲要小.

3 結論

通過頻譜分析及聲壓級分析，總結得出:

1)兩種配方摩擦噪聲的聲壓級在500 Hz以后聲壓級基本變化不大.

2)聲壓級(A計權)隨著溫度的變化略有升高，但溫度對兩組配方噪聲的聲壓級的影響幅度都很小.

3)相同溫度相同頻率下，加入微膠囊的材料普遍比未加微膠囊的材料聲壓級小;在各溫度下，加入微膠囊的材料振動噪聲也都比未加入微膠囊的材料振動噪聲要小.即加入自修復微膠囊降低了齒輪的摩擦噪聲.

實驗證明了自修復微膠囊能夠提高復合材料齒輪的降噪性能.由于實驗需要完善，因此今后還應該進行研究分析，進一步探討微膠囊自修復技術在食品機械齒輪應用中的發展.

［1］紀曉鋼.自修復技術對復合材料齒輪性能影響的研究［D］.北京:北京工商大學，2010.

［2］Yin Tan，Zhou Lin，Rong Minzhi，et al.Serf-healing woven glassfabric/epoxy composites with the healant consisting of microencapsulated epoxy and latent curing agent［J］.Smart Materials and Structures，2008，17(1):15-19.

［3］王輝.聚合物基復合材料齒輪自修復技術研究［D］.北京:北京工商大學，2009.

［4］Xia Y，Lu Y.Fabrication and properties of conductive con－ jugated polymers/silk fibroin composite fibers［J］.ComposSei Techn，2008，68(6):1471.

［5］童曉梅，張敏，張婷，等.微膠囊自修復技術及其在聚合物基復合材料中的應用［J］.塑料，2009(38):29-31.

［6］李海燕，王榮國，劉文博，等.微膠囊自修復復合材料的研究進展［J］.玻璃鋼/復合材料，2007(4):48-51.

［7］張力，劉玉德，王輝.食品機械用新型復合材料齒輪的研究［J］.食品科技，2009(34):108-110.

［8］李婷婷，王瑞，劉星.微膠囊自修復復合材料的研究進展［J］.材料導報，2010(17):57-61.

(責任編輯:檀彩蓮)

Application and Noise Effect of Self-repairing Gear in Food Machinery

XIAO Jun， ZHANG Li， CHEN Hao
(School of Material and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China)

The self-repair technology of composite materials and self-repair principles of microcapsules were introduced in this paper.The weight loss and noise reduction of machine in food machinery could be achieved by using the composite gear made of self-repair materials of microcapsules.The effect of self-repair microcapsules on the vibration of gear made of composite materials was revealed by analyzing noise data under different temperatures during the vibration of new gear made of composite materials.The results showed that self-healing microcapsules reduce the friction of the gear noise.

food machinery;self-repair;gear;noise

TS203

A

1671-1513(2011)01-0059-04

2011-01-10

北京市屬高等學校人才強教計劃資助項目(PHR201106110).

肖 君，女，碩士研究生，研究方向為機械設計及理論;

張 力，女，教授，博士，主要從事復合材料力學方面的研究.通訊作者.