CDQ用電磁振動(dòng)給料機(jī)料槽結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

費(fèi)玉石，丁 茹

(1．遼寧省機(jī)械研究院有限公司，遼寧 沈陽 110032;2．沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

1 前言

干法熄焦(Coke Dry Quenching)是目前國外較廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)節(jié)能環(huán)保技術(shù)，也是國內(nèi)冶金工業(yè)重點(diǎn)推廣的節(jié)能減排技術(shù)。干熄焦生產(chǎn)線是利用冷的惰性氣體，將出爐赤紅焦的顯熱回收的技術(shù)設(shè)備，與傳統(tǒng)的濕法熄焦相比，具有節(jié)約資源、排污量小和提高焦炭質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。近幾年，國內(nèi)在逐步開發(fā)研制干熄焦生產(chǎn)線，并使之現(xiàn)代化、大型化、國產(chǎn)化。

電磁振動(dòng)給料機(jī)是干熄焦生產(chǎn)線上的一個(gè)重要設(shè)備，也是該生產(chǎn)線上的一個(gè)核心部件。國內(nèi)從上世紀(jì)70年代開始研制電磁振動(dòng)給料機(jī)并應(yīng)用于生產(chǎn)，形成了幾種系列十幾種規(guī)格的定型產(chǎn)品，使其得到了迅速的發(fā)展。但是國內(nèi)現(xiàn)有的電磁振動(dòng)給料機(jī)都是一些中小型的機(jī)器，功率小，效率低，而且不適于連續(xù)輸送高溫、高粉塵焦炭，所以開發(fā)研制大型專用電磁振動(dòng)給料機(jī)是決定干熄焦生產(chǎn)線國產(chǎn)化的關(guān)鍵。在鞍山焦碳耐火材料研究院、唐鋼、本鋼等企業(yè)支持下，經(jīng)過幾年的設(shè)計(jì)制造和試驗(yàn)，干熄焦生產(chǎn)線專用電磁振動(dòng)給料機(jī)樣機(jī)已經(jīng)完成，如圖1所示。該設(shè)備由激振器、給料槽、支架小車及控制系統(tǒng)組成，重約6.8 t。

給料槽承受著激振器傳給它的高頻激振力，同時(shí)還受到輸送物料對(duì)它的沖擊力、本身的慣性力等的作用。在給料槽振動(dòng)的過程中，由于其結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，在實(shí)際生產(chǎn)中，給料槽工藝的制定仍然依靠工藝人員通過一些簡單的經(jīng)驗(yàn)公式并結(jié)合個(gè)人的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來確定，缺乏精確的理論分析指導(dǎo)，往往會(huì)在設(shè)計(jì)過程中造成給料槽局部結(jié)構(gòu)的不合理，從而導(dǎo)致給料槽內(nèi)部產(chǎn)生共振，形成噪聲，甚至破壞。因此，為提高給料槽工作的安全性、可靠性、就必須建立給料槽振動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行固有頻率分析，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避開振源的激勵(lì)頻率。

圖1 樣機(jī)照片

有限元模態(tài)分析是辨識(shí)給料槽結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的一種有效方法，在振動(dòng)給料機(jī)的料槽動(dòng)態(tài)性能研究中得到了廣泛應(yīng)用。

2 給料槽的有限元模型

建立有限元計(jì)算模型的第1步是建立被分析結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，對(duì)結(jié)構(gòu)做適當(dāng)而合理的假設(shè)和簡化，以進(jìn)行有效的計(jì)算和分析。因此，一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)給料槽的強(qiáng)度和剛度影響不大的附件，在計(jì)算模型中將被忽略掉。

給料槽結(jié)構(gòu)包括輔強(qiáng)筋、槽底加強(qiáng)筋、后筋板、推力板、中筋板、前筋板、支撐彈簧用板、筋板、底板、出料口緣板、出料口頂筋板、橢圓板、上側(cè)緣板、中側(cè)緣板、進(jìn)料筒連接板、側(cè)板、后側(cè)板、中后緣板、上后緣板，這些都是由Q235鋼焊接而成。

使用大型CAD軟件SolidWorks對(duì)給料槽進(jìn)行實(shí)體建模，然后把它導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，以得到有限元模型?；趯?shí)際工況對(duì)計(jì)算結(jié)果精度要求不高及計(jì)算機(jī)的硬件條件對(duì)給料槽整體結(jié)構(gòu)選取solid45三維八節(jié)點(diǎn)四面體單元類型，整個(gè)模型被離散為179647個(gè)單元，371112個(gè)節(jié)點(diǎn)。整個(gè)有限元模型如圖2所示。

3 模態(tài)分析的基本理論

模態(tài)分析在動(dòng)力學(xué)分析過程中是必不可少的一個(gè)步驟，用于確定設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)固有頻率和振型。同時(shí)，也可以作為其他動(dòng)力學(xué)分析問題的起點(diǎn)，例如瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析。其中模態(tài)分析也是進(jìn)行譜分析或模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析或瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析所必須的前期分析過程。

圖2 給料槽的有限元模型

ANSYS的模態(tài)分析可以對(duì)有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。模態(tài)分析是一個(gè)線性分析。任何非線性特性，如塑性和接觸(間隙)單元，即使定義了也將被忽略。典型無阻尼模態(tài)分析求解的基本方程是經(jīng)典的特征值問題:

式中，K為剛度矩陣;{φi}為第i階模態(tài)的振型向量(特征向量);為第i階模態(tài)的固有頻率(是特征值);M為質(zhì)量矩陣。

有許多數(shù)值方法可用于求解上面的方程。ANSYS提供了7種模態(tài)提取方法，即 Block Lanczos(分塊蘭索斯)法、Subspace(子空間)法、Powerdynamics法、Reduced(縮減)法、Unsymmetric(非對(duì)稱)法、Damped(阻尼)法和QR Damped(QR阻尼)法。在大多數(shù)分析過程中將選用Subspace法、Reduced法、Block Lanczos法或Powerdynamics法。Unsymmetric法和 Damped法只在特殊情形下會(huì)用到。在指定某種模態(tài)提取方法后，ANSYS會(huì)自動(dòng)選擇合適的方程求解器。在ANSYS/LinearPlus中 Unsymmetric法和Damped法不可用。

本文分析中將采取Block Lanczos(分塊蘭索斯)法，模態(tài)分析計(jì)算出前10階頻率，由于自由模態(tài)的前6階為剛體模態(tài)，固有頻率為零，所以只給出第7、8、9、10階的振型圖。給料槽的前10階固有頻率和振型見表1。

表1 給料槽模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果

4 振型分析

前6階為剛體位移，給料槽沒有明顯的變形;由圖3所示給料槽第7、8、9、10階振型圖可以看出，第7階振型最大位移處于上后緣板與進(jìn)料筒連接板的后端處，上后緣板與進(jìn)料筒連接板的后端處出現(xiàn)了比較明顯彎曲振動(dòng)，結(jié)構(gòu)屬于整體振動(dòng);第8階振型最大位移處于進(jìn)料筒連接板前端處，進(jìn)料筒連接板前端出現(xiàn)較大的彎曲振動(dòng)，結(jié)構(gòu)屬于整體振動(dòng);第9階振型最大位移處于出料口緣板和上蓋板處，出料口緣板和上蓋板出現(xiàn)較大的彎曲振動(dòng)，結(jié)構(gòu)屬于整體振動(dòng);第10階振型最大位移處于推力板后端處，推力板后端出現(xiàn)較大的彎曲振動(dòng)，結(jié)構(gòu)屬于整體振動(dòng)。

5 結(jié)束語

研究表明，給料槽一般只需計(jì)算較低的幾階頻率，因?yàn)楦唠A振型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性影響很小，所以，以本文振型分析為基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)給料槽時(shí)，主要考慮如下問題。

(1)使給料槽低階頻率高于電磁激振器的工作頻率，以避免發(fā)生整體共振現(xiàn)象。

(2)給料槽彈性模態(tài)頻率應(yīng)盡可能避開電磁激振器經(jīng)常工作的頻率范圍。

(3)給料槽振型應(yīng)盡可能光滑，避免有突變。

通過模態(tài)分析，得到了給料槽的前10階固有頻率和振型圖，為改進(jìn)和提高給料槽的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，為深入研究振動(dòng)、疲勞和噪聲等問題奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為實(shí)際試驗(yàn)提供了參考和依據(jù)。

［1］ 劉大維，嚴(yán)天一．半掛牽引車車架模態(tài)分析［J］．現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，2006，(6):57－63．

［2］ 謝世坤，程從山．基于ANSYS的邊梁式車架有限元模態(tài)分析［J］．機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2005，(1):76－78．

［3］ 劉濤．精通 ANSYS［M］．北京;清華大學(xué)出版社，2002．

［4］ 牛躍文．基于ANSYS的礦用汽車車架有限元模態(tài)分析［J］．煤礦機(jī)械，2007，(4):98－100．

［5］ 丁茹，劉靜凱．CDQ電磁振動(dòng)給料機(jī)設(shè)計(jì)及分析［J］．沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào)．2009，(4):50－51．