雙質體給料機動態有限元自由模態分析
摘要：目的觀察雙質體給料機的振動特性，探討自由模態振動對給料機槽體的影響。方法建立雙質體給料機動力學有限元模態分析，計算并得出振型的特征值和固有頻率以及動態響應，而后對給料機槽體施以五階振型分析。結果 第一階振型為給料槽體繞z 軸扭動，槽體出現不對稱，嚴重影響給料機運動軌跡;第二階振型為一對平行的連接板繞x 軸旋轉，沿y軸正向出現夾角，槽體整體變形不大;第三階振型為兩連接板繞x 軸平行旋轉，槽體整體變形不大;第四階振型為兩個槽鋼沿x 軸平行彎曲，兩塊連接板繞x 軸平行旋轉，共振時槽體不再對稱，此時會嚴重影響給料機運動軌跡;第五階振型為管梁沿z 軸彎曲，在擋板上出現部最大變形;結論 通過對給料槽體自由模態試驗的研究，測得了給料槽體的固有頻率和振型，試驗模態分析結果和理論模態分析結果基本一致，驗證了所建立的有限元模型的合理性。
關鍵詞：雙質體慣性振動給料機;動態特性;模態分析
振動給料機是自動加工與自動裝配系統中的一種供料裝置，它廣泛應用在冶金、煤炭、電力、化工、建材、輕工和糧食等工礦企業中，與其他設備配套實現給料、喂料、配料、定量包裝和流程自動化工作。在冶金礦山，主要用在溜井放礦、轉載裝車、選礦破碎給料作業;在煤礦，主要用在井下轉載、箕斗下轉載、原煤倉下配煤、精煤倉下裝車和洗選機均勻給料等作業;在電力行業，主要配置在煤倉下轉載配煤系統[1]。目前，國內外生產和使用振動給料機的企業很多，從起振方式的分類來說，現在主要有三種，即偏心電機、電磁鐵和壓電陶瓷，其中偏心電機應用比較廣泛。本文以應用較為廣泛的雙質體慣性振動給料機為對象開展研究工作 。
雙質體慣性振動給料機(以下簡稱雙質體給料機)是振動給料設備中常用的一種。因其具有結構緊湊、單臺振動電機激振、恒壓平穩啟動、不受槽體物料載重的影響、可以配置無級變頻器實現變頻給料、遠距離微機操作控制等優點，已在國內給料系統中廣泛采用。但前雙質體給料機普遍存在效率低、電耗高、噪音大、使用壽命短、底座振動強及易膨料堵倉等問題，其主要原因是由振動給料系統性能指標和影響振動給料系統的工藝參數和動力學參數的匹配不當以及缺少有效的動態性能研究所造成。因為雙質體給料機系統的工作原理比較簡單，影響振動給料系統的工藝參數和動力學參數較多。而在傳統的工業生產中，人們對振動機械結構的動態特性研究不多，參數的選取主要依靠經驗或者查表獲得，這就使得各參數的選取與匹配不一定能達到振動給料系統的最佳優化設計要求，因而在較大程度上影響了物料的輸送速度和給料機的生產能力[3-6]。
雙質體給料機的工藝過程通常是在物料沿振動工作面連續運動的情況下完成的。其工藝過程的質量，直接與物料的運動情況有關。因此闡明物料在振動工作面上的運動理論，對于正確選取振動機械的運動學參數具有重要意義[7]。
1、雙質體給料機的結構及作機理
雙質體給料機通常是由慣性激振器、工作機體及彈性元件三個部分組成。
(1)慣性激振器：產生周期性變化的激振力，使工作機體產生持續的振動。
(2)工作機體：由鋼板和型鋼焊接或用高強度螺栓連接而成的槽型結構，在兩側的鋼板之間用帶法蘭的無縫鋼管或型鋼連接。它們通常作周期性的運動。
(3)彈性元件：包括隔振彈簧、主振彈簧。隔振彈簧的作用在于支承或懸掛工作機體，使工作機體實現所要求的振動，并減小傳給地基或結構架的動載荷。主振彈簧即共振彈簧或稱蓄能彈簧。電機座4 和激振電動機6 組成的激振器提供恒定的慣性激振力并通過主振彈簧3 傳遞給給料槽體2，驅使其沿激振力方向作橢圓軌跡的往復運動。當雙質體給料機采用不同的運動學參數(振幅、頻率、振動角、傾角等)時，物料就在給料槽體2 上出現四種不同形式的運動： ①相對靜止;②正向滑動;③反向滑動;④拋擲運動。這四種運動形式中，除了“相對靜止”，除物料與工作面間無相對運動而不能進行輸送工作外，其余三種運動形式，都可以完成給料、輸送等工作。
2、動力學有限元分析基本理論
動力學要解決的問題主要有兩點：尋求結構的固有頻率和主振型，了解結構的振動特性，以便更好地利用或減小振動;分析結構的動力響應特性，以計算結構振動時的動力響應和動位移的大小及其變化規律[8-9]。
2.1 有限元基本方程
首先要選用適當的單元類型將連續的彈性體離散成有限多個單元和節點，這些單元僅在節點處連接，單元之間的力僅靠節點傳遞。
然后從離散的彈性體中任意取出一個單元，單元節點位移為δ (t)e ，相應的節點速度和加速度為e 。利用給定的位移插值方式可將單元內任一點的位移f (t)、速度f??(t)和加速度??f??(t)用節點的位移、速度和加速度表示，(2-1)式中 N 為相應單元的形函數，它和靜力分析中的形函數完全一樣，僅與坐標有關，與時間無關。
由幾何方程可得單元應變與單元節點位移之間的關系為ε (t)e = Bδ (t)e (2-2)式中 B 為相應單元的應變矩陣。物理方程可得單元應力與單元節點位移之間的關系為σ (t)e = DBδ (t)e (2-3)式中 D 為彈性矩陣，由材料的彈性常數組成。由虛功原理可推出單元節點力與單元節點位移的關系為F(t)BTDBdxdydz 稱為單元剛度矩陣。利用各節點處的變形協調條件和動力平衡條件，即達朗貝爾原理，建立整體剛度方程Kδ (t) = P(t) (2-5)式中 K 為總體剛度矩陣，是由單元剛度矩陣組成，P(t)為動載荷。
動載荷P(t) 包括作用在彈性體的動載激勵( ) f P t 、彈性體的慣性力( ) T P t 和阻尼力( ) c P t ，即P(t) = Pf (t) + PT (t) + Pc (t) (2-6)在單元體上取微元體，其上慣性力所做虛功為整個單元上的慣性力所做的虛功(2-8)單元上各節點的慣性力所做的虛功為( )eT ( )eP T W =σ t P t (2-9)由虛功原理可得單元內的分布慣性力等效到單元各節點上等效慣性力稱為單元質量矩陣。
整個結構上節點的等效慣性力為M 為總體質量矩陣，它與總體剛度矩陣類似，由單元質量矩陣組成。同理，由虛功原理可以推導出單元內分布的阻尼力的等效節點阻尼力稱為單元阻尼矩陣，μ 為阻尼系數。整個結構上節點的等效阻尼力為C 為總體阻尼矩陣，它與總體剛度矩陣類似，由單元阻尼矩陣組成。由整體剛度矩陣方程整理可得動力學問題的有限元基本方程為。
2.2 方程的特征值和固有頻率
分析結構動力學問題很重要的一部分是計算結構的固有頻率和主振型。分析結構的固有頻率和主振型的問題可歸納為特征值和特征向量問題。
對于無阻尼自由振動情況，動力學基本方程中的阻尼力項和外加激勵項為零，即Mδ????(t) + Kδ (t) = 0 (2-15)任何彈性體的自由振動都可分解為一系列簡諧振動的迭加。設方程(2-15)的簡諧振動解為0 δ (t) =δ sinωt (2-16)將式(4-16)代入式(4-15)由于自由振動時，結構中各節點的振幅0 δ 不全為零，故方程組系數的行列式的值必須為零，即K ?ω2M = 0 (2-18)由于結構剛度矩陣K 和質量矩陣M 均為n 階(節點自由度數目)方陣，所以式(4-18)是關于ω2的n 次方程，由此可求得n 個固有頻率。ω2稱為廣義特征值，可由瑞雷商法求解由動力學得到自由振動頻率，即固有頻率對每一個固有頻率i ω ，由式(4-17)可確定一組各節點的振幅值0i δ ，此振幅值稱為廣義特征向量或結構的主振型，其中最小的特征值對應的主振型稱為基本振型。
由上述分析可知，動力學問題中的固有頻率和主振型的計算可歸納為求特征方程的特征值和特征向量問題。目前常用的求解方法有廣義雅克比法、逆迭代法和子空間迭代法。其中子空間迭代法是通過選取m 個n 維向量iδ，線性迭加為振型0 δ ，從而將計算n 維空間的特征值問題，轉化為計算其m 維子空間上的特征值問題，具體求解時采用迭代法[6]。
2.3 動力響應問題
動力響應即結構在動載荷的作用下，結構產生的動應力和動位移響應。用有限元法求解結構動力響應的一般方法有兩種：振型疊加法和逐步積分法。
振型疊加法又稱模態疊加法，其基本思路是：首先對問題進行模態分析得到其固有頻率和主振型;然后，將問題的位移響應看成所得主振型的線性疊加代入振動方程，利用主振型的特點將問題變換成求解一組獨立的微分方程，每個自由度對應一個方程;最后，求出每個方程的解(即各階響應)，再將結果疊加在一起得到整個問題的解。
逐步積分法又稱直接積分法，其基本思想是把求解時間域[0,T]離散為n個步長為i Δt 的時間段，并認為在每個時間段上位移、速度和加速度按線性規律變化，每個時間點處滿足振動方程，依次從初始狀態t = 0時刻到中止狀態t = T 時刻逐步對方程進行數值積分，計算出各個時刻位移響應，進而計算出速度、加速度、應變和應力等響應[6]。
3、給料槽體自由模態分析
由于給料槽體是機械運動的主要部分，本文用自由模態進行分析。自由模態是自由邊界條件，可以更好反映物體的固有屬性。對給料槽體進行自由模態分析除確定給料槽體的固有頻率、振型和模態阻尼比外，還可以作為后續模態試驗中響應測量的測點布置的重要參考，并結合試驗模態參數對有限元模型進行修正和結構的動力學修改，為給料槽體的結構優化設計提供基礎。
(1)給料槽體模型的簡化本文在 ANSYS 中建立給料槽體三維模型時，對其進行了一定的簡化，忽略了給料槽體結構上的螺栓孔、倒角、倒圓、小孔以及凸臺等小特征，以避免小特征和小結構件在進行有限元網格劃分時，產生大量的有限元單元，加大計算時間、降給料槽體材料為Q235。相關參數為：彈性模量E = 206 GPa，泊松比μ = 0.3，密度ρ = 7850 kg/m3，分析時選用SOLID95 單元劃分網格，它是SOLID45 的高階單元,可以用于復雜形狀的實體網格劃分。
(2)模態分析結果在求解自由模態時，過濾掉剛體模態，求得前10 階的自由模態。表3-1 為給料槽體前10 階固有頻率，由于該雙質體給料機的工作頻率僅為16.25Hz，只給出了給料槽體的前5 階振型圖
4、結果及分析
1)觀察給料槽體的前5 階模態振型可以發現：第一階振型為給料槽體繞z 軸扭動，變形很大，一旦共振時，給料槽體出現不對稱，此時會嚴重影響給料機運動軌跡;第二階振型為一對平行的連接板繞x 軸旋轉，沿y 軸正向出現夾角，給料槽體整體變形不大;第三階振型為兩連接板繞x 軸平行旋轉，給料槽體整體變形不大;第四階振型為兩個槽鋼沿x 軸平行彎曲，兩塊連接板繞x 軸平行旋轉，一旦共振時，給料槽體不再對稱，此時也會嚴重影響給料機運動軌跡;第五階振型為管梁沿z 軸彎曲，最大變形出現在擋板上部;
2)從給料槽體的模態頻率分析，前5 階模態頻率相互間都有較大的間隔，當發生外界干擾時，外界干擾頻率只能同某一頻率接近，而不可能同時與幾階頻率接近，給料槽體不易發生振動的疊加，這對給料槽體的強度很有好處;3)一階模態頻率為23.205Hz，高于工作頻率16.25Hz，即工作頻率在固有頻率的±20%之外，可以認為該給料槽體的結構設計和采取的工藝措施是比較合理。
[參考文獻]
[1] 王運池.國內振動給料設備的現狀與發展[J].煤質技術，2003(4)：29-31.
[2] 周永紅.電磁振動給料機的力學模型[D].上海：東華大學圖書館，2004.
[3] 劉育.國內煤礦振動給料設備的現狀及發展[J].煤礦機械，2003(4)：3-4.
[4] 范朝陽.振動機械的發展與展望[J].礦業快報，2004(2)：10-11.
[5] 趙野平.論述礦山振動機械的發展與技術進步[J].甘肅科技，2005(5)：18-19.
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