基于随机森林回归的管状带式输送机用托辊优化设计_吉日格勒.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 2 月机电工程Journal of Mechanical Electrical EngineeringVol 40 No 2Feb 2023收稿日期:2022 07 09基金项目:国家自然科学基金资助项目(51905459)作者简介:吉日格勒(1986 )，男，蒙古族，内蒙古呼和浩特人，工程师，主要从事煤炭机械设备科技创新方面的工作。E-mail:jirigelexmu163 com通信联系人:蔡志钦，男，博士，助教，硕士生导师。E-mail:caizhiqin xmu edu cnDOI:10 3969/j issn 1001 4551 2023 02 019基于随机森林回归的管状带式输送机用托辊优化设计*吉日格勒1，刘畅1，蔡志钦2*，肖望强2，邱开心2，陈晨3(1 国家能源集团准能集团有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000;2 厦门大学 航空航天学院，福建 厦门 361000;3 国能郎新明环保科技有限公司，北京 100089)摘要:在管状带式输送机运输过程中，托辊在圆管带的接触载荷激励下会产生振动噪声，这是管状带式输送机运输过程中的主要噪声源。托辊参数的优化设计，对于管状带式输送机整体的减振降噪具有重要意义。为此，以托辊为优化对象，对托辊在不同结构参数下的振动特性和噪声规律进行了研究，提出了一种基于随机森林回归(F)的管状带式输送机用托辊参数优化设计方法。首先，对托辊进行了模态分析，得到了托辊的振动特性，确定了托辊的优化方向;基于有限元 边界元混合声场仿真方法，以现场采集的托辊受力频谱作为激励，探究了托辊在不同结构参数影响下的振动噪声及规律;然后，开发了基于 F 算法的机器学习模型，建立了托辊结构参数与噪声值之间的设计数据库，结合约束条件，得到了托辊参数的最优解;最后，针对优化后的托辊结构进行了仿真分析。研究结果表明，当托辊的直径为 152 mm、厚度为6 mm、材料为普通钢、轴径为30 mm 时，取得最优解，优化托辊产生的振动噪声较原托辊降低了约 13 4 dB;通过托辊的优化设计，可以为管状带式输送机整体减振降噪提供参考。关键词:运输机械;接触载荷;随机森林回归;有限元 边界元;模态分析;减振降噪;托辊参数最优解中图分类号:TH223文献标识码:A文章编号:1001 4551(2023)02 0299 08Optimization design of roller for tubular belt conveyor based on FJII Ge-le1，LIU Chang1，CAI Zhi-qin2，XIAO Wang-qiang2，QIU Kai-xin2，CHEN Chen3(1 CHN Energy Zhungeer Energy Group Co，Ltd，Ordos 017000，China;2 School of Aerospace Engineering，Xiamen University，Xiamen 361000，China;3 CHN Energy Lucency ENVIO-TECH Co，Ltd，Beijing 100089，China)Abstract:During the transportation of the tubular belt conveyor，the roller generates vibration noise under the excitation of the contact loadof the round pipe belt，which is the main noise source during the transportation of the tubular belt conveyor The optimal design of rollerparameters is of great significance to the overall vibration reduction and noise reduction of the tubular belt conveyor Therefore，taking theroller as the optimization object，the vibration characteristics and noise law of the roller under different structural parameters were studied，arandom forest regression(F)based method was proposed to optimize the design of roller parameters for tubular belt conveyor Firstly，themodal analysis was carried out to obtain the vibration characteristics of the roller，and the optimization direction was determined Based onthe finite-element-boundary-element(FEM-BEM)hybrid acoustic field simulation method，with the force spectrum of the roller collected inthe field as the excitation，the vibration noise and the law of the roller under the influence of different structural parameters were exploredThen，a machine learning model based on F algorithm was developed，a design database between the structural parameters of the rollerand the noise value was established，and the optimal solution of the roller parameters was obtained by combining the constraints Finally，theoptimized roller structure was simulated and analyzed The result shows that the optimal solution is obtained when the diameter of the roller is152 mm，the thickness is 6 mm，the material is steel and the shaft diameter is 30 mm，and the vibration noise generated by the optimizedroller is reduced by about 13 4 dB compared with the original roller The optimized design of the roller provides a reference for the overallvibration and noise reduction of the tubular belt conveyorKey words:transport machinery;contact load;random forest regression(F);finite-element-boundary-element(FEM-BEM);modalanalysis;vibration and noise reduction;optimal solution of roller parameters0引言管状带式输送机是在普通带式输送机基础上发展的一种特殊的连续输送设备，广泛应用于矿山运输行业1。托辊是管状带式输送机的重要组成部分，其沿输送机整体布置，数量大，质量约占整机的 30%。托辊的旋转阻力是输送机的主要运行阻力之一，其与输送带的压陷阻力之和约占输送机运行阻力的 70%2，3。有关研究表明，托辊在圆管带的接触载荷激励下产生的振动噪声是管状带式输送机运输过程中的主要噪声源。因此，托辊参数的优化设计，对于管状带式输送机整体的减振降噪具有重要意义4，5。针对托辊和噪声等相关问题，国内外科研人员进行了深入研究。在提高托辊工作性能方面，WHEELE C A6 通过对不同工况下的托辊旋转阻力进行测试，总结出了其变化规律，为降低托辊旋转阻力提供了理论支持;但其仅考虑到减少托辊的旋转阻力，却未进一步校核减少旋转阻力后托辊的可靠性。KUNNE B 等人7 在原托辊驱动方式的基础上提出了改进方案，成功降低了托辊的运行功耗;但该研究仅针对其实验对象开发了统计模型，因此其适用范围十分有限。在托辊噪声测试及降噪方面，KLIMENDA F 等人8 详细分析了各个型号托辊的噪声和振动测量方法，并给出了噪声与振动评价标准;但该研究考虑的托辊工况不够全面。贾志鹏9 通过对带式输送机托辊的噪声产生机理进行深入研究，分析了托辊的噪声来源，并提出了相应的降噪优化措施;但该研究未完成试验台的搭建，因此其所提的降噪措施还需得到进一步验证。在噪声模拟和优化设计方面，HE M X 等人10 将加强筋的布局、厚度和高度作为设计变量，将最小化重量和均方速度作为目标，采用数据驱动结构优化方法，研究了加强筋的减振降噪性能;但该研究仍存在计算量大、耗时长等缺点。综上所述，当前在托辊旋转阻力、故障检测11 等方面的研究已经比较成熟;但在托辊降噪研究方面，主要还是通过对单种影响因素进行优化来实现降噪，对托辊整体参数进行优化降噪的研究相对较少。此外，在研究方法上，多数学者采用声 固耦合方式，对结构噪声展开研究，并结合数据驱动结构优化的方法来实现减振降噪的目的12-14。基于此，针对管状带式输送机的噪声问题，笔者以托辊为优化对象，进行模态和有限元 边界元混合声场仿真分析，探究托辊在不同结构参数下的振动特性和噪声规律，并开发机器学习模型，以获取托辊设计参数的最优解，从而对托辊进行优化设计。1管状带式输送机概况管状带式输送机一般由头部过渡段、中间管状段和尾部过渡段 3 部分组成。管状带式输送机中间管状段如图 1 所示。图 1管状带式输送机中间管状段由图 1 可知:中间管状段包括圆管带、托辊组、机架、栈桥等部分;中间管状段主要依靠托辊支撑圆管带的平稳运行。托辊结构如图 2 所示。图 2托辊结构由图 2 可知:托辊主要由托辊体、轴承、托辊轴和003机电工程第 40 卷书书书端盖组成。2托辊模态分析振动模态是其结构的固有特性，与外部载荷无关;根据理论分析与实验研究可知，在众多阶模态中，系统的薄弱模态一般是低阶模态。为确定托辊的振动特性，笔者利用 VAONE 软件对托辊进行模态分析，步骤如下;首先，笔者将托辊有限元模型导入软件中，然后设置材料属性并约束托辊支承位置，最后进行计算，获取其模态结果。笔者得到的托辊前五阶模态固有频率如表 1所示。表 1前五阶模态固有频率阶数固有频率/Hz第一阶4756第二阶5088第三阶1 631 4第四阶1 668 2第五阶1 668 7笔者获取的托辊前五阶模态振型图如图 3 所示。图 3前五阶模态振型图根据模态振型图可知:托辊在一阶固有频率下表现为轴向往复拉伸变形;在二阶固有频率下表现为扭转变形，托辊中间段绕着两端固定点扭转，并沿径向逐渐增大;在三阶固有频率下表现为径向弯曲变形，中间段变形大，两端变形小;在四阶、五阶固有频率下表现为整体弯曲变形，中间段变形大，两端变形小。基于以上分析可知:托辊中间段的变形大于两端，所