CDQ用电磁振动给料机料槽结构的模态分析

费玉石，丁 茹

(1．辽宁省机械研究院有限公司，辽宁 沈阳 110032;2．沈阳理工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110159)

1 前言

干法熄焦(Coke Dry Quenching)是目前国外较广泛应用的一项节能环保技术，也是国内冶金工业重点推广的节能减排技术。干熄焦生产线是利用冷的惰性气体，将出炉赤红焦的显热回收的技术设备，与传统的湿法熄焦相比，具有节约资源、排污量小和提高焦炭质量等优点。近几年，国内在逐步开发研制干熄焦生产线，并使之现代化、大型化、国产化。

电磁振动给料机是干熄焦生产线上的一个重要设备，也是该生产线上的一个核心部件。国内从上世纪70年代开始研制电磁振动给料机并应用于生产，形成了几种系列十几种规格的定型产品，使其得到了迅速的发展。但是国内现有的电磁振动给料机都是一些中小型的机器，功率小，效率低，而且不适于连续输送高温、高粉尘焦炭，所以开发研制大型专用电磁振动给料机是决定干熄焦生产线国产化的关键。在鞍山焦碳耐火材料研究院、唐钢、本钢等企业支持下，经过几年的设计制造和试验，干熄焦生产线专用电磁振动给料机样机已经完成，如图1所示。该设备由激振器、给料槽、支架小车及控制系统组成，重约6.8 t。

给料槽承受着激振器传给它的高频激振力，同时还受到输送物料对它的冲击力、本身的惯性力等的作用。在给料槽振动的过程中，由于其结构受力复杂，在实际生产中，给料槽工艺的制定仍然依靠工艺人员通过一些简单的经验公式并结合个人的实际经验来确定，缺乏精确的理论分析指导，往往会在设计过程中造成给料槽局部结构的不合理，从而导致给料槽内部产生共振，形成噪声，甚至破坏。因此，为提高给料槽工作的安全性、可靠性、就必须建立给料槽振动力学模型，进行固有频率分析，通过结构设计避开振源的激励频率。

图1 样机照片

有限元模态分析是辨识给料槽结构动态性能的一种有效方法，在振动给料机的料槽动态性能研究中得到了广泛应用。

2 给料槽的有限元模型

建立有限元计算模型的第1步是建立被分析结构的力学模型，对结构做适当而合理的假设和简化，以进行有效的计算和分析。因此，一些结构复杂，对给料槽的强度和刚度影响不大的附件，在计算模型中将被忽略掉。

给料槽结构包括辅强筋、槽底加强筋、后筋板、推力板、中筋板、前筋板、支撑弹簧用板、筋板、底板、出料口缘板、出料口顶筋板、椭圆板、上侧缘板、中侧缘板、进料筒连接板、侧板、后侧板、中后缘板、上后缘板，这些都是由Q235钢焊接而成。

使用大型CAD软件SolidWorks对给料槽进行实体建模，然后把它导入到ANSYS中进行有限元网格划分，以得到有限元模型。基于实际工况对计算结果精度要求不高及计算机的硬件条件对给料槽整体结构选取solid45三维八节点四面体单元类型，整个模型被离散为179647个单元，371112个节点。整个有限元模型如图2所示。

3 模态分析的基本理论

模态分析在动力学分析过程中是必不可少的一个步骤，用于确定设计机构或机器部件的振动固有频率和振型。同时，也可以作为其他动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析。其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必须的前期分析过程。

图2 给料槽的有限元模型

ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。模态分析是一个线性分析。任何非线性特性，如塑性和接触(间隙)单元，即使定义了也将被忽略。典型无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题:

式中，K为刚度矩阵;{φi}为第i阶模态的振型向量(特征向量);为第i阶模态的固有频率(是特征值);M为质量矩阵。

有许多数值方法可用于求解上面的方程。ANSYS提供了7种模态提取方法，即 Block Lanczos(分块兰索斯)法、Subspace(子空间)法、Powerdynamics法、Reduced(缩减)法、Unsymmetric(非对称)法、Damped(阻尼)法和QR Damped(QR阻尼)法。在大多数分析过程中将选用Subspace法、Reduced法、Block Lanczos法或Powerdynamics法。Unsymmetric法和 Damped法只在特殊情形下会用到。在指定某种模态提取方法后，ANSYS会自动选择合适的方程求解器。在ANSYS/LinearPlus中 Unsymmetric法和Damped法不可用。

本文分析中将采取Block Lanczos(分块兰索斯)法，模态分析计算出前10阶频率，由于自由模态的前6阶为刚体模态，固有频率为零，所以只给出第7、8、9、10阶的振型图。给料槽的前10阶固有频率和振型见表1。

表1 给料槽模态分析计算结果

4 振型分析

前6阶为刚体位移，给料槽没有明显的变形;由图3所示给料槽第7、8、9、10阶振型图可以看出，第7阶振型最大位移处于上后缘板与进料筒连接板的后端处，上后缘板与进料筒连接板的后端处出现了比较明显弯曲振动，结构属于整体振动;第8阶振型最大位移处于进料筒连接板前端处，进料筒连接板前端出现较大的弯曲振动，结构属于整体振动;第9阶振型最大位移处于出料口缘板和上盖板处，出料口缘板和上盖板出现较大的弯曲振动，结构属于整体振动;第10阶振型最大位移处于推力板后端处，推力板后端出现较大的弯曲振动，结构属于整体振动。

5 结束语

研究表明，给料槽一般只需计算较低的几阶频率，因为高阶振型对结构的动力特性影响很小，所以，以本文振型分析为基础，在设计给料槽时，主要考虑如下问题。

(1)使给料槽低阶频率高于电磁激振器的工作频率，以避免发生整体共振现象。

(2)给料槽弹性模态频率应尽可能避开电磁激振器经常工作的频率范围。

(3)给料槽振型应尽可能光滑，避免有突变。

通过模态分析，得到了给料槽的前10阶固有频率和振型图，为改进和提高给料槽的设计提供了理论依据，为深入研究振动、疲劳和噪声等问题奠定了基础，同时也为实际试验提供了参考和依据。

［1］ 刘大维，严天一．半挂牵引车车架模态分析［J］．现代设计技术，2006，(6):57－63．

［2］ 谢世坤，程从山．基于ANSYS的边梁式车架有限元模态分析［J］．机电产品开发与创新，2005，(1):76－78．

［3］ 刘涛．精通 ANSYS［M］．北京;清华大学出版社，2002．

［4］ 牛跃文．基于ANSYS的矿用汽车车架有限元模态分析［J］．煤矿机械，2007，(4):98－100．

［5］ 丁茹，刘静凯．CDQ电磁振动给料机设计及分析［J］．沈阳理工大学学报．2009，(4):50－51．