基于模态分析法的计量漏斗固有频率仿真分析

张宝金，吴东，刘伟新，迟强，宋华，王壮

(1.鞍钢集团矿业有限公司眼前山铁矿，辽宁 鞍山 114044；2.辽宁科技大学机械学院,辽宁 鞍山 114051)

铁矿石是钢铁生产企业的重要原材料，铁矿石是具有铁单质或者铁化合物的矿物集合体，天然铁矿石经过开采、破碎、筛选等操作得到我们需要的铁矿石。在得到我们所需要的铁矿石后，需要将铁矿石从矿山通过矿车运送至烧结厂，在转运过程中，计量装载作业精准度直接影响矿石的运输效率。计量漏斗作为计量装载作业中最主要的工作设备，对矿石运输工作有极大的影响。

在矿石装载过程中，由于开采出的矿石表面含有一定水分，矿石会在计量漏斗腔体内发生黏结，随着装载次数的增加，计量漏斗内矿石黏结情况变得越来越严重。所以就需要空气炮在装载完成后对腔体进行振动，使腔体内黏结的矿石脱落。但是在实践过程中，计量漏斗自身的固有频率会随整体质量的改变而发生变化。发现空气炮的作用并不理想，因此想改用电磁炮对腔体进行振动。本文选择利用ansys仿真软件研究计量漏斗本身的固有频率和有矿石颗粒黏结后计量漏斗的固有频率，从而确定电磁炮工作频率的使用范围。

1 计量漏斗三维模型的建立

根据实际的计量漏斗，在solidworks软件中建立三维模型。该漏斗模型高8985mm，宽度4571mm。该漏斗的材质为钢，总重量为18079.982kg。模型如图1所示。

图1 漏斗模型

1.1 材料属性

表1 材料属性表

1.2 网格划分

网格划分的目的是为了实现模型的高度离散化，把求解区域分解为可以得到理想解的数量单元，由于计量漏斗模型不均匀，各个位置的厚度都不一样。所以本文使用四面体单元对计量漏斗模型进行划分，同时控制单元增长速率为慢。旨在提高网格的均匀化程度，划分好的网格如图2所示，其有155614个节点，83641个单元。

图2 漏斗的网格划分

2 漏斗的模态分析

模态分析也就是自由振动分析，主要是确定机械结构的振动特性（固有频率和振型）。影响物体固有频率的因素有质量、形状、材质等。本文为了选择电磁炮的频率范围，对计量漏斗进行模态分析，这样就可以找到计量漏斗自身的共振频率范围，使电磁炮的频率在其范围内。通过静力学分析模块以及模态分析模块，求解出漏斗的六阶的振型频率。频率图如表2所示。

表2 漏斗的六阶频率

图3 为计量漏斗自身的共振频率，这个值并不能作为电磁炮的指导频率，因为电磁炮使用的前提是测量漏斗内有矿物的黏结。根据统计得到的数据，每次放料后测量漏斗内会黏结大约0~1500kg左右的矿物。本文使用solidworks软件对黏结在漏斗的矿物进行建模，然后将其放置在测量漏斗之中，因为在solidworks软件中对此类离散型物质无法进行很好的建模，而且矿物在测量漏斗内的黏结是从测量漏斗两侧开始向中间扩散，慢慢的覆盖整个计量漏斗的溜槽处，所以在对黏结的矿物进行建模时也根据这个特性将其设置为两侧高中间较为低洼的状态。本文对测量漏斗内黏结500kg、1000kg、1500kg的矿物时的固有频率进行测量，得到的结果如表3所示。

图3 测量漏斗的六阶振型图

表3 计量漏斗黏结不同质量铁矿石的固有频率

根据表3所得出的数据可以看出，随着测量漏斗黏结的矿石颗粒的增加，计量漏斗的固有频率在降低。计量漏斗的固有频率与其质量的关系如式1所示。

式中，Δm是黏结在计量漏斗上的矿石颗粒的质量。

由式（1）可知。计量漏斗的频率与其质量的平方根成反比，通过在计量漏斗的腔体内附加集中质量块Δm，改变了计量漏斗的固有频率，且从表3可以清楚地看出，附加的质量越大，计量漏斗的频率越低。下图4为矿石颗粒黏结1500kg时的六阶振型图。

图4 测量漏斗黏结1500kg矿物时的六阶振型图

3 结语

（1）基于ansys软件对计量漏斗进行了模态分析，能有效体现出计量漏斗不同状态下的固有频率及计量漏斗的振型图。

（2）通过模态分析，计量漏斗腹腔内黏结的颗粒质量越大，计量漏斗的固有频率越低。