推焦作業(yè)過程中推焦裝置的振動(dòng)特性研究

陳俊君，孫桓五

（1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原030024；2.山西大學(xué) 自動(dòng)化系，太原030013；3.太原理工大學(xué) 煤炭資源開采利用與裝備工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，太原030024）

大型焦?fàn)t成套設(shè)備是煉焦行業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種機(jī)械裝置，主要由裝煤車、推焦車、攔焦車和熄焦車4大設(shè)備組成。國(guó)內(nèi)某重工股份有限公司生產(chǎn)的6.25 m搗固焦?fàn)t設(shè)備是目前市場(chǎng)占有率較高的焦?fàn)t成套設(shè)備[1]，其炭化室長(zhǎng)為17 m，寬為0.53 m，高為6.25 m，每孔裝煤量大約為45.6 t，產(chǎn)焦量約為38 t。推焦車作為焦?fàn)t成套設(shè)備中重要的執(zhí)行裝置，其主要作用是把煉制的焦炭推出炭化室使其落入熄焦車[2]。推焦車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為推焦裝置，通過對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過程的實(shí)地觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)推焦裝置在推焦作業(yè)過程中存在明顯振動(dòng)現(xiàn)象。該振動(dòng)一方面會(huì)造成焦?fàn)t內(nèi)耐火磚松動(dòng)、移位和斷裂、燃燒室和炭化室之間的串漏[3]；另一方面也會(huì)造成推焦裝置中相互接觸的部件之間產(chǎn)生磨損和表面損傷，從而降低設(shè)備的可靠性和減少設(shè)備壽命。鑒于此，本文通過有限元分析方法對(duì)實(shí)際工況下推焦裝置的振動(dòng)特性進(jìn)行研究，并提取推焦裝置發(fā)生振動(dòng)的頻率以及對(duì)應(yīng)的振型，研究結(jié)果對(duì)于改進(jìn)推焦裝置的設(shè)計(jì)以及減輕推焦裝置的振動(dòng)都有一定的參考價(jià)值。

1 推焦裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

推焦裝置是將炭化室內(nèi)的紅焦推出炭化室的具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)包括推焦桿、齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、滑履和推焦頭。推焦裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，推焦桿是推焦裝置的核心構(gòu)件，所研究的6.25 m 搗固焦?fàn)t設(shè)備中推焦桿的重量約為40 t，長(zhǎng)為27 m，寬為0.34 m，高為1.05 m。推焦桿由支棍支承，其結(jié)構(gòu)為箱型結(jié)構(gòu)，推焦桿和推焦頭通過焊接組合成一體。推焦桿在靠近推焦頭的下端面安裝滑履機(jī)構(gòu)，在整個(gè)上端面安裝齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在推焦桿進(jìn)入炭化室前滑履機(jī)構(gòu)所處的懸空狀態(tài)為非工作狀態(tài)；在推焦桿進(jìn)入炭化室后其開始工作，對(duì)推焦桿起到支承作用，此時(shí)滑履與炭化室爐底的耐火磚相接觸，運(yùn)動(dòng)形式是一種典型的滑動(dòng)摩擦。工作過程中電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條進(jìn)行嚙合傳動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)推焦桿的前進(jìn)和后退。

圖1 推焦裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 實(shí)際工作狀態(tài)下推焦裝置振動(dòng)特性的分析

在實(shí)際工作狀態(tài)下，推焦裝置要進(jìn)入炭化室中將成熟的焦炭從炭化室中推出并經(jīng)過導(dǎo)焦槽準(zhǔn)確地落到熄焦車上。而炭化室中的溫度高達(dá)1 000°C左右，為了真實(shí)地反應(yīng)推焦裝置實(shí)際的工作環(huán)境，采用ANSYS 有限元軟件分析推焦裝置的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布情況，在此基礎(chǔ)上對(duì)推焦裝置進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，力求使仿真結(jié)果可為推焦裝置的設(shè)計(jì)、改進(jìn)及故障診斷提供一定的理論依據(jù)。材料參數(shù)設(shè)置如表1所示，在仿真分析中，模型采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格單元數(shù)為137 755，節(jié)點(diǎn)數(shù)為260 747，環(huán)境溫度設(shè)置為22°C，推焦桿頭部與焦炭接觸的表面溫度設(shè)置為1 000°C，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)推焦桿進(jìn)入炭化室將焦炭推出到熄焦車的時(shí)間大約為40 s，故在瞬態(tài)熱分析中將仿真結(jié)束時(shí)間設(shè)為40 s。

2.1 推焦裝置溫度場(chǎng)分析

2.1.1 瞬態(tài)熱分析理論

對(duì)于推焦裝置來說，其表面?zhèn)鳠岱绞街饕獮閷?duì)流傳熱，在裝置內(nèi)部則以熱傳導(dǎo)為主，采用熱能守恒定律可以獲得固體熱傳導(dǎo)微分方程[4]。設(shè)定邊界條件，并對(duì)固體熱傳導(dǎo)微分方程進(jìn)行泛函變分，就可以獲得用于確定n個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度的求解方程[5]為

其中，矩陣C為比熱矩陣；K為熱傳導(dǎo)矩陣；P為節(jié)點(diǎn)熱流率向量；Tt為節(jié)點(diǎn)溫度向量，其1 階導(dǎo)數(shù)為溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。在t時(shí)刻采用向后差分法獲得的有限元方程離散形式為

式中：ο代表無窮小量，將式(2)代入式(1)可求得瞬態(tài)溫度場(chǎng)的有限元方程為

其中：Δt為時(shí)間步長(zhǎng)；Tt-Δt為前一時(shí)刻的溫度場(chǎng)或者初始溫度場(chǎng)；把Tt-Δt代入式(3)可求取t時(shí)刻的溫度場(chǎng)Tt，再由Tt求取后一時(shí)刻的溫度場(chǎng)Tt+Δt，以此類推就可以獲得結(jié)構(gòu)體在后續(xù)每一時(shí)刻的溫度場(chǎng)。

2.1.2 推焦裝置瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析

推焦裝置仿真分析的瞬態(tài)溫度變化圖如圖2所示。

當(dāng)推焦裝置工作時(shí)間為10秒時(shí)，推焦頭的溫度為263.21°C，其尾部溫度為21.917°C，隨著推焦裝置在炭化室中工作時(shí)間的增加，推焦頭的溫度逐步升高，在20 s、30 s和40 s的時(shí)刻溫度分別為506.22°C、747.87°C和990.45°C；而推焦裝置尾部的溫度基本穩(wěn)定在室溫，在20 s、30 s 和40 s 的時(shí)刻溫度分別為21.726°C、21.461°C和21.143°C。這表明推焦裝置在實(shí)際工作過程中，溫度場(chǎng)在桿身的分布處于動(dòng)態(tài)變化之中，為了確保仿真分析的準(zhǔn)確性，在后續(xù)的有限元分析中均考慮溫度分布對(duì)推焦裝置的影響，選取推焦裝置在40 s時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行研究。

表1 推焦裝置材料設(shè)置

圖2 推焦裝置瞬態(tài)溫度變化圖

2.2 模態(tài)分析

2.2.1 模態(tài)分析理論

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特征，不受外力的影響，只與機(jī)械結(jié)構(gòu)本身和所構(gòu)成的材料有關(guān)。在瞬態(tài)溫度場(chǎng)下，忽略系統(tǒng)阻尼的系統(tǒng)自由振動(dòng)方程為

其中：K為考慮熱效應(yīng)情況下結(jié)構(gòu)體的剛度矩陣；M為質(zhì)量矩陣；φ為n階模態(tài)矩陣；ω是與矩陣φ對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)固有頻率。

假設(shè)溫度變化不會(huì)影響結(jié)構(gòu)體的密度，即質(zhì)量矩陣M不受溫度的影響，則溫度的變化通過引起剛度矩陣K發(fā)生變化從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體的固有頻率和振型發(fā)生變化。一方面，受到熱環(huán)境的影響，結(jié)構(gòu)體的彈性模量會(huì)發(fā)生變化，據(jù)此得到的剛度矩陣Kc值為

另一方面，由于溫度的變化結(jié)構(gòu)體各個(gè)部分會(huì)產(chǎn)生收縮或膨脹，進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致初始剛度發(fā)生變化，由此可得初應(yīng)力的剛度矩陣為

由此可知，熱環(huán)境影響下結(jié)構(gòu)體的剛度矩陣為

其中：Ω為求解域；B為幾何矩陣；DT為彈性矩陣，與泊松比μ和彈性模量E有關(guān)；G為形函數(shù)矩陣；?為應(yīng)力矩陣。

2.2.2 推焦裝置模態(tài)分析

模態(tài)分析的目的在于確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。在2.1.2小節(jié)中對(duì)推焦裝置進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)推焦裝置實(shí)際工作中與前兩個(gè)支棍相接觸的表面施加約束，求解推焦裝置的模態(tài)特性。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來看，推焦裝置的振動(dòng)形式為低頻振動(dòng)，故求取了推焦桿前20 階模態(tài)頻率及振型圖，推焦裝置9～14階的模態(tài)振型如圖3所示。

圖3 推焦裝置9～14階的模態(tài)

從圖3的振型結(jié)果中，可以發(fā)現(xiàn)推焦裝置低階模態(tài)中變形較大的部位主要集中在3 個(gè)區(qū)域，分別為推焦桿桿身，推焦頭和滑履。這表明，推焦裝置在工作過程中，推焦桿桿身、推焦頭和滑履有可能發(fā)生比較大的振動(dòng)變形，影響整個(gè)推焦過程的穩(wěn)定性和可靠性。但是僅通過模態(tài)分析還無法揭示推焦裝置實(shí)際工作中的振動(dòng)狀態(tài)，為此接下來將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲取的推焦摩擦阻力引入到推焦裝置的諧響應(yīng)分析中，以提取出推焦裝置的振動(dòng)頻率。

2.3 推焦裝置振動(dòng)頻率提取

2.3.1 諧響應(yīng)分析理論

諧響應(yīng)分析可以用于確定結(jié)構(gòu)體的持續(xù)動(dòng)力性能，是一種常用的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析方法[6-7]。由振動(dòng)學(xué)相關(guān)知識(shí)可知結(jié)構(gòu)體的運(yùn)動(dòng)微分方程可表示為

其中：M、C、K分別表示結(jié)構(gòu)體的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；X表示位移向量表示速度向量；X¨表示加速度向量；F表示結(jié)構(gòu)體所受的外加載荷向量。在諧響應(yīng)分析中，力載荷表達(dá)式為

各節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)為

其中：A表示位移幅值向量；φ表示位移響應(yīng)滯后于激勵(lì)載荷的相位角。將式(10)代入式(9)可求得

無法求得式(11)解析解，可利用有限元法進(jìn)行求解，計(jì)算出相應(yīng)的位移、加速度、應(yīng)力及應(yīng)變與振動(dòng)頻率之間的響應(yīng)曲線。

2.3.2 振動(dòng)頻率提取

振動(dòng)諧響應(yīng)分析可用于確定機(jī)械設(shè)備的持續(xù)動(dòng)力學(xué)性能，根據(jù)推焦裝置實(shí)際工作時(shí)的受力情況可知，推焦頭前端面與焦炭直接接觸，在推焦過程中，推焦裝置主要需要克服焦炭對(duì)其產(chǎn)生的摩擦阻力，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，推焦摩擦阻力的數(shù)值取為1.6×105N。通過諧響應(yīng)分析，可獲得位移、加速度、應(yīng)力及應(yīng)變與振動(dòng)頻率之間的關(guān)系。為了分析結(jié)果的全面性，限于篇幅，文中分別提取推焦桿尾部端面、推焦頭側(cè)面和滑履底面在x、y、z3個(gè)方向的加速度和頻率之間的響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，3個(gè)方向的加速度和振動(dòng)頻率的響應(yīng)曲線分別如圖4、圖5、圖6所示。

從中可發(fā)現(xiàn)推焦桿、推焦頭和滑履在x、y、z3個(gè)方向都發(fā)生了頻率為51 Hz的低頻振動(dòng)，推焦頭和滑履在z方向上出現(xiàn)了頻率為22 Hz的振動(dòng)信號(hào)，同時(shí)滑履在x方向還出現(xiàn)了頻率為92 Hz 的振動(dòng)信號(hào)。對(duì)比圖3的分析結(jié)果可知，推焦裝置整體的振動(dòng)形式與模態(tài)分析中的第14階模態(tài)相同，即推焦裝置在xoz平面內(nèi)發(fā)生較大的彎曲振動(dòng)，且推焦桿尾部振動(dòng)最為劇烈，對(duì)于局部部件推焦頭，除了隨整個(gè)推焦裝置發(fā)生振動(dòng)外，還可能出現(xiàn)22 Hz的低頻振動(dòng)，對(duì)于滑履來說，除了隨整個(gè)推焦裝置發(fā)生振動(dòng)外，還可能出現(xiàn)頻率為22 Hz和92 Hz的振動(dòng)。

圖4 推焦桿x、y、z 3個(gè)方向的加速度與頻率之間的響應(yīng)曲線

圖5 推焦頭x、y、z 3個(gè)方向的加速度與頻率之間的響應(yīng)曲線

圖6 滑履x、y、z 3個(gè)方向的加速度與頻率之間的響應(yīng)曲線

3 結(jié)語

(1)在推焦裝置作業(yè)過程中推焦頭會(huì)接觸到1 000°C高溫的紅焦，為了真實(shí)模擬實(shí)際推焦工況，在對(duì)推焦裝置進(jìn)行振動(dòng)特性分析前首先對(duì)推焦裝置進(jìn)行了瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析，發(fā)現(xiàn)在推焦作業(yè)過程中，推焦頭的溫度最高，推焦桿尾部溫度最低，整個(gè)推焦裝置的溫度場(chǎng)處于動(dòng)態(tài)變化之中。

(2)對(duì)推焦裝置進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)變形較大的部位主要集中在3個(gè)區(qū)域，分別為推焦桿桿身、推焦頭和滑履。這表明，推焦裝置在工作過程中，推焦桿桿身，推焦頭和滑履有可能發(fā)生比較大的振動(dòng)變形，影響整個(gè)推焦過程的穩(wěn)定性和可靠性。

(3)通過對(duì)推焦裝置進(jìn)行諧響應(yīng)分析，分別提取了推焦桿、推焦頭和滑履在行進(jìn)方向、豎直方向和橫向3 個(gè)方向的加速度和頻率之間的響應(yīng)曲線，從中可以發(fā)現(xiàn)推焦裝置在3個(gè)方向上都發(fā)生了頻率為51 Hz 的低頻振動(dòng)，對(duì)比模態(tài)分析結(jié)果，可知推焦裝置發(fā)生的振動(dòng)形式與模態(tài)分析中的第14階模態(tài)相同，即推焦裝置在xoz平面內(nèi)發(fā)生較大的彎曲振動(dòng)，且推焦桿尾部振動(dòng)最為劇烈。