CDQ用電磁振動給料機料槽結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

費玉石，丁 茹

(1．遼寧省機械研究院有限公司，遼寧 沈陽 110032;2．沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

1 前言

干法熄焦(Coke Dry Quenching)是目前國外較廣泛應用的一項節(jié)能環(huán)保技術(shù)，也是國內(nèi)冶金工業(yè)重點推廣的節(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。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。

電磁振動給料機是干熄焦生產(chǎn)線上的一個重要設備，也是該生產(chǎn)線上的一個核心部件。國內(nèi)從上世紀70年代開始研制電磁振動給料機并應用于生產(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)有的電磁振動給料機都是一些中小型的機器，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給料機是決定干熄焦生產(chǎn)線國產(chǎn)化的關鍵。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)過幾年的設計制造和試驗，干熄焦生產(chǎn)線專用電磁振動給料機樣機已經(jīng)完成，如圖1所示。該設備由激振器、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，同時還受到輸送物料對它的沖擊力、本身的慣性力等的作用。在給料槽振動的過程中，由于其結(jié)構(gòu)受力復雜，在實際生產(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)驗公式并結(jié)合個人的實際經(jīng)驗來確定，缺乏精確的理論分析指導，往往會在設計過程中造成給料槽局部結(jié)構(gòu)的不合理，從而導致給料槽內(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力學模型，進行固有頻率分析，通過結(jié)構(gòu)設計避開振源的激勵頻率。

圖1 樣機照片

有限元模態(tài)分析是辨識給料槽結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的一種有效方法，在振動給料機的料槽動態(tài)性能研究中得到了廣泛應用。

2 給料槽的有限元模型

建立有限元計算模型的第1步是建立被分析結(jié)構(gòu)的力學模型，對結(jié)構(gòu)做適當而合理的假設和簡化，以進行有效的計算和分析。因此，一些結(jié)構(gòu)復雜，對給料槽的強度和剛度影響不大的附件，在計算模型中將被忽略掉。

給料槽結(jié)構(gòu)包括輔強筋、槽底加強筋、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對給料槽進行實體建模，然后把它導入到ANSYS中進行有限元網(wǎng)格劃分，以得到有限元模型。基于實際工況對計算結(jié)果精度要求不高及計算機的硬件條件對給料槽整體結(jié)構(gòu)選取solid45三維八節(jié)點四面體單元類型，整個模型被離散為179647個單元，371112個節(jié)點。整個有限元模型如圖2所示。

3 模態(tài)分析的基本理論

模態(tài)分析在動力學分析過程中是必不可少的一個步驟，用于確定設計機構(gòu)或機器部件的振動固有頻率和振型。同時，也可以作為其他動力學分析問題的起點，例如瞬態(tài)動力學分析、諧響應分析和譜分析。其中模態(tài)分析也是進行譜分析或模態(tài)疊加法諧響應分析或瞬態(tài)動力學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)分析可以對有預應力的結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析和循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。模態(tài)分析是一個線性分析。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用到。在指定某種模態(tài)提取方法后，ANSYS會自動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料筒連接板的后端處，上后緣板與進料筒連接板的后端處出現(xiàn)了比較明顯彎曲振動，結(jié)構(gòu)屬于整體振動;第8階振型最大位移處于進料筒連接板前端處，進料筒連接板前端出現(xiàn)較大的彎曲振動，結(jié)構(gòu)屬于整體振動;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，結(jié)構(gòu)屬于整體振動;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，結(jié)構(gòu)屬于整體振動。

5 結(jié)束語

研究表明，給料槽一般只需計算較低的幾階頻率，因為高階振型對結(jié)構(gòu)的動力特性影響很小，所以，以本文振型分析為基礎，在設計給料槽時，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，為改進和提高給料槽的設計提供了理論依據(jù)，為深入研究振動、疲勞和噪聲等問題奠定了基礎，同時也為實際試驗提供了參考和依據(jù)。

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