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，也是國內冶金工業(yè)重點推廣的節(jié)能減排技術。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量等優(yōu)點。近幾年，國內在逐步開發(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，由于其結構受力復雜，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構的不合理，從而導致給料槽內部產(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，通過結構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構動態(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步是建立被分析結構的力學模型，對結構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，一些結構復雜，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。

給料槽結構包括輔強筋、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、上側緣板、中側緣板、進料筒連接板、側板、后側板、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果精度要求不高及計算機的硬件條件對給料槽整體結構選取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構進行模態(tài)分析和循環(huán)對稱結構模態(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，結構屬于整體振動;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，結構屬于整體振動;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，結構屬于整體振動;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，結構屬于整體振動。

5 結束語

研究表明，給料槽一般只需計算較低的幾階頻率，因為高階振型對結構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)。

［1］ 劉大維，嚴天一．半掛牽引車車架模態(tài)分析［J］．現(xiàn)代設計技術，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］．煤礦機械，2007，(4):98－100．

［5］ 丁茹，劉靜凱．CDQ電磁振動給料機設計及分析［J］．沈陽理工大學學報．2009，(4):50－51．