基于模態(tài)分析法的計量漏斗固有頻率仿真分析

張寶金，吳東，劉偉新，遲強(qiáng)，宋華，王壯

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司眼前山鐵礦，遼寧 鞍山 114044；2.遼寧科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院,遼寧 鞍山 114051)

鐵礦石是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的重要原材料，鐵礦石是具有鐵單質(zhì)或者鐵化合物的礦物集合體，天然鐵礦石經(jīng)過開采、破碎、篩選等操作得到我們需要的鐵礦石。在得到我們所需要的鐵礦石后，需要將鐵礦石從礦山通過礦車運送至燒結(jié)廠，在轉(zhuǎn)運過程中，計量裝載作業(yè)精準(zhǔn)度直接影響礦石的運輸效率。計量漏斗作為計量裝載作業(yè)中最主要的工作設(shè)備，對礦石運輸工作有極大的影響。

在礦石裝載過程中，由于開采出的礦石表面含有一定水分，礦石會在計量漏斗腔體內(nèi)發(fā)生黏結(jié)，隨著裝載次數(shù)的增加，計量漏斗內(nèi)礦石黏結(jié)情況變得越來越嚴(yán)重。所以就需要空氣炮在裝載完成后對腔體進(jìn)行振動，使腔體內(nèi)黏結(jié)的礦石脫落。但是在實踐過程中，計量漏斗自身的固有頻率會隨整體質(zhì)量的改變而發(fā)生變化。發(fā)現(xiàn)空氣炮的作用并不理想，因此想改用電磁炮對腔體進(jìn)行振動。本文選擇利用ansys仿真軟件研究計量漏斗本身的固有頻率和有礦石顆粒黏結(jié)后計量漏斗的固有頻率，從而確定電磁炮工作頻率的使用范圍。

1 計量漏斗三維模型的建立

根據(jù)實際的計量漏斗，在solidworks軟件中建立三維模型。該漏斗模型高8985mm，寬度4571mm。該漏斗的材質(zhì)為鋼，總重量為18079.982kg。模型如圖1所示。

圖1 漏斗模型

1.1 材料屬性

表1 材料屬性表

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的目的是為了實現(xiàn)模型的高度離散化，把求解區(qū)域分解為可以得到理想解的數(shù)量單元，由于計量漏斗模型不均勻，各個位置的厚度都不一樣。所以本文使用四面體單元對計量漏斗模型進(jìn)行劃分，同時控制單元增長速率為慢。旨在提高網(wǎng)格的均勻化程度，劃分好的網(wǎng)格如圖2所示，其有155614個節(jié)點，83641個單元。

圖2 漏斗的網(wǎng)格劃分

2 漏斗的模態(tài)分析

模態(tài)分析也就是自由振動分析，主要是確定機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動特性（固有頻率和振型）。影響物體固有頻率的因素有質(zhì)量、形狀、材質(zhì)等。本文為了選擇電磁炮的頻率范圍，對計量漏斗進(jìn)行模態(tài)分析，這樣就可以找到計量漏斗自身的共振頻率范圍，使電磁炮的頻率在其范圍內(nèi)。通過靜力學(xué)分析模塊以及模態(tài)分析模塊，求解出漏斗的六階的振型頻率。頻率圖如表2所示。

表2 漏斗的六階頻率

圖3 為計量漏斗自身的共振頻率，這個值并不能作為電磁炮的指導(dǎo)頻率，因為電磁炮使用的前提是測量漏斗內(nèi)有礦物的黏結(jié)。根據(jù)統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù)，每次放料后測量漏斗內(nèi)會黏結(jié)大約0~1500kg左右的礦物。本文使用solidworks軟件對黏結(jié)在漏斗的礦物進(jìn)行建模，然后將其放置在測量漏斗之中，因為在solidworks軟件中對此類離散型物質(zhì)無法進(jìn)行很好的建模，而且礦物在測量漏斗內(nèi)的黏結(jié)是從測量漏斗兩側(cè)開始向中間擴(kuò)散，慢慢的覆蓋整個計量漏斗的溜槽處，所以在對黏結(jié)的礦物進(jìn)行建模時也根據(jù)這個特性將其設(shè)置為兩側(cè)高中間較為低洼的狀態(tài)。本文對測量漏斗內(nèi)黏結(jié)500kg、1000kg、1500kg的礦物時的固有頻率進(jìn)行測量，得到的結(jié)果如表3所示。

圖3 測量漏斗的六階振型圖

表3 計量漏斗黏結(jié)不同質(zhì)量鐵礦石的固有頻率

根據(jù)表3所得出的數(shù)據(jù)可以看出，隨著測量漏斗黏結(jié)的礦石顆粒的增加，計量漏斗的固有頻率在降低。計量漏斗的固有頻率與其質(zhì)量的關(guān)系如式1所示。

式中，Δm是黏結(jié)在計量漏斗上的礦石顆粒的質(zhì)量。

由式（1）可知。計量漏斗的頻率與其質(zhì)量的平方根成反比，通過在計量漏斗的腔體內(nèi)附加集中質(zhì)量塊Δm，改變了計量漏斗的固有頻率，且從表3可以清楚地看出，附加的質(zhì)量越大，計量漏斗的頻率越低。下圖4為礦石顆粒黏結(jié)1500kg時的六階振型圖。

圖4 測量漏斗黏結(jié)1500kg礦物時的六階振型圖

3 結(jié)語

（1）基于ansys軟件對計量漏斗進(jìn)行了模態(tài)分析，能有效體現(xiàn)出計量漏斗不同狀態(tài)下的固有頻率及計量漏斗的振型圖。

（2）通過模態(tài)分析，計量漏斗腹腔內(nèi)黏結(jié)的顆粒質(zhì)量越大，計量漏斗的固有頻率越低。