搗固型焦?fàn)t推焦設(shè)備的振動(dòng)疲勞分析

[摘" " 要]推焦桿振動(dòng)是6.25m搗固型焦?fàn)t設(shè)備在推焦過(guò)程中比較常見(jiàn)的一種現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間劇烈振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致推焦桿過(guò)快出現(xiàn)機(jī)械疲勞，壽命也會(huì)大幅度縮短。文章介紹了振動(dòng)疲勞對(duì)機(jī)械構(gòu)件壽命的影響，通過(guò)仿真試驗(yàn)，模擬了推焦桿振動(dòng)形態(tài)，針對(duì)引起機(jī)械振動(dòng)的原因，提出了優(yōu)化建議。

[關(guān)鍵詞]搗固型焦?fàn)t設(shè)備;推焦桿;自激振動(dòng);機(jī)械疲勞

[中圖分類(lèi)號(hào)]TQ520.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

振動(dòng)疲勞是結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷導(dǎo)致的疲勞破壞，通常認(rèn)為不規(guī)律的、振幅較大的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，更容易引起材料疲勞。另外，根據(jù)振動(dòng)頻率和結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率的大小關(guān)系，又可以將其分為振動(dòng)疲勞、普通疲勞等類(lèi)型。機(jī)械振動(dòng)疲勞的危害后果嚴(yán)重，以推焦桿為例，極有可能在推焦過(guò)程中突然斷裂，帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患。因此，無(wú)論是從安全管理還是從生產(chǎn)效益角度，開(kāi)展推焦振動(dòng)機(jī)械疲勞的可靠性分析與優(yōu)化措施，都極具必要性。

1 機(jī)械振動(dòng)疲勞對(duì)推焦設(shè)備壽命的影響

1.1 壽命載荷的處理

疲勞載荷是用于評(píng)估機(jī)械壽命的關(guān)鍵指標(biāo)，其理論依據(jù)是疲勞壽命估算理論，具體方法是建立S-N曲線，通過(guò)曲線變化推測(cè)未來(lái)走勢(shì)，從而預(yù)估壽命。由于載荷是不斷變化的，為掌握其變化規(guī)律，需要單向等幅拉伸載荷，并對(duì)其做如下處理：設(shè)σa為幅值應(yīng)力，σm為平均應(yīng)力，σmax和σmin分別為最大和最小應(yīng)力，則存在以下關(guān)系。

σa=（σmax-σmin）/2 （1）

σm=（σmax+σmin）/2 （2）

R=σmin/σmax （3）

當(dāng)R=-1時(shí)，此時(shí)載荷為對(duì)稱拉壓;當(dāng)R=0時(shí)，此時(shí)載荷為脈動(dòng)拉伸。除了這兩種理想情況外，在推焦設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)，載荷的形式是不斷變化且復(fù)雜多樣的。為了更加直觀地了解載荷對(duì)機(jī)械疲勞和壽命的影響，還要進(jìn)一步探究外加應(yīng)力S和疲勞壽命N之間的關(guān)系，即S-N曲線。

1.2 材料的S—N曲線

S-N曲線又稱為“疲勞曲線”。將待測(cè)構(gòu)件加工成細(xì)長(zhǎng)的圓柱形，在試驗(yàn)儀器上設(shè)定加工精度，并以此對(duì)試件做拉、壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等試驗(yàn)，記錄不同處理下的參數(shù)。在試驗(yàn)結(jié)束后，以疲勞強(qiáng)度作為Y軸，以疲勞壽命的對(duì)數(shù)值lgN作為X軸，即可得到S—N曲線。根據(jù)該曲線的變化規(guī)律，能夠估算出測(cè)試構(gòu)件的壽命。

2 推焦桿的疲勞分析

推焦桿的疲勞仿真模態(tài)分析在Ansys有限元分析軟件上進(jìn)行。選擇某型號(hào)6.25m搗固型焦?fàn)t設(shè)備的推焦桿作為研究對(duì)象，在Ansys上建立等比例的三維模型，連續(xù)進(jìn)行10階模態(tài)分析。其中，前3階的陣型如圖1～圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，第2階和第3階固有頻率與推焦現(xiàn)場(chǎng)記錄到的振動(dòng)頻率較為相似，由此可得推焦桿的實(shí)際振動(dòng)狀態(tài)。

3 推焦設(shè)備振動(dòng)原因分析

3.1 齒輪的嚙合振動(dòng)

嚙合振動(dòng)是齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較常見(jiàn)的一種現(xiàn)象，其形成原因有多種。例如，齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)期間，嚙合點(diǎn)從齒根向齒頂移動(dòng)。由于不同嚙合點(diǎn)處的齒厚存在差異，這就決定了隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，嚙合剛度也隨之發(fā)生改變，由此導(dǎo)致嚙合振動(dòng)。另外，齒輪在生產(chǎn)制造時(shí)精度不達(dá)標(biāo)，或者推焦設(shè)備使用期間因?yàn)楦邷貙?dǎo)致齒輪發(fā)生熱變形等，都可能引起齒輪振動(dòng)。除了齒輪自身的因素外，齒輪與齒條之間的中心距不恒定，也是引起推焦桿振動(dòng)疲勞的常見(jiàn)原因。

3.2 齒輪損傷故障

隨著6.25m搗固型焦?fàn)t設(shè)備使用年限的增加，推焦裝置中齒輪的磨損問(wèn)題也會(huì)進(jìn)一步加劇。尤其是在齒輪潤(rùn)滑不良，以及齒槽內(nèi)落入雜質(zhì)的情況下，導(dǎo)致磨損問(wèn)題加重。在齒輪的端面、齒槽等位置因?yàn)槟Σ翆?dǎo)致表面不夠光滑，甚至發(fā)生變形。這種情況下齒輪與齒條不能完美契合，從而導(dǎo)致嚙合時(shí)振動(dòng)沖擊加大，加速了機(jī)械振動(dòng)疲勞。疲勞點(diǎn)蝕也是推焦裝置齒輪損傷的一種常見(jiàn)現(xiàn)象，多發(fā)生于齒面部位。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒面與齒條接觸、碰撞，久而久之導(dǎo)致齒面保護(hù)層磨損、剝落，形成點(diǎn)狀侵蝕。由于點(diǎn)蝕部位潤(rùn)滑不良，又會(huì)進(jìn)一步加劇磨損，加速機(jī)械疲勞，導(dǎo)致齒輪失效。

3.3 摩擦引起的自激振動(dòng)

當(dāng)推焦桿的振動(dòng)頻率與固有頻率一致時(shí)，即產(chǎn)生自激振動(dòng)。推焦設(shè)備出現(xiàn)自激振動(dòng)主要與以下兩方面因素有關(guān)。

（1）摩擦。根據(jù)摩擦發(fā)生位置的不同，又可分為滑靴與滑軌之間的摩擦、碳化室磚面與滑靴之間的摩擦等兩種類(lèi)型。碳化室磚面在沒(méi)有經(jīng)過(guò)磨合之前，其表面比較粗糙，滑靴從碳化室磚面滑動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)。另外，碳化室磚面選材不當(dāng)，或者加工質(zhì)量不過(guò)關(guān)，也會(huì)加重摩擦情況，導(dǎo)致自激振動(dòng)更加明顯。

（2）變形。推焦桿是一種細(xì)長(zhǎng)的桿狀構(gòu)件，在推焦過(guò)程中除了重力、摩擦力外，還受到外部的振動(dòng)、熱量等影響。尤其是在推出熱焦時(shí)，溫度可以達(dá)到1000℃，推焦桿的剛度下降，受到外力作用很容易發(fā)生變形。變形之后的推焦桿更容易發(fā)生自激振動(dòng)。

4 焦?fàn)t設(shè)備推焦振動(dòng)的優(yōu)化措施

4.1 齒輪、齒條嚙合處采取減振措施

對(duì)于因齒輪問(wèn)題導(dǎo)致的機(jī)械振動(dòng)疲勞，可采取以下減振措施達(dá)到降低機(jī)械疲勞、延長(zhǎng)推焦裝置使用壽命的效果。

（1）每隔一段時(shí)間檢查一次位于電機(jī)與減速機(jī)之間的聯(lián)軸器。如果測(cè)量發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器的不對(duì)中偏差超過(guò)了0.5mm，則需要采取校對(duì)措施調(diào)整誤差，解決因?yàn)椴粚?duì)中故障導(dǎo)致的異常振動(dòng)。

（2）在焦?fàn)t設(shè)備日常養(yǎng)護(hù)作業(yè)中，需注意觀察齒輪磨損情況。如果有個(gè)別齒輪磨損較為嚴(yán)重，如齒廓不清晰、齒頂高度低于標(biāo)準(zhǔn)值等，則需要及時(shí)更換齒輪，解決因?yàn)辇X輪嚴(yán)重磨損引起的機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題。

（3）對(duì)于因?yàn)辇X輪、齒條嚙合中心距不恒定引起的嚙合振動(dòng)，一種措施是優(yōu)化齒輪布置方式，采用一對(duì)相同的齒輪，對(duì)稱分布于推焦桿的上下兩側(cè)，并且兩個(gè)齒輪由同一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這樣就能確保齒輪、齒條的中心距保持不變，有效減緩?fù)平拐駝?dòng)的問(wèn)題。還有一種措施是在齒輪、齒條嚙合的前后位置，分別增加一個(gè)彈簧壓塊，用于固定推焦桿。這樣就保證了推焦桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，也能夠維持中心距不會(huì)出現(xiàn)大幅度的變化，解決振動(dòng)疲勞問(wèn)題。

4.2 設(shè)備爬行時(shí)采取優(yōu)化措施

在6.25m搗固型焦?fàn)t設(shè)備的使用過(guò)程中，導(dǎo)致推焦裝置爬行動(dòng)力不足的因素有多種。例如，潤(rùn)滑介質(zhì)不足或失效，或者系統(tǒng)阻尼減小，以及系統(tǒng)自身剛度不足等。在實(shí)際操作中，應(yīng)提前開(kāi)展焦?fàn)t推焦裝置的工況調(diào)查，在確定具體因素的前提下采取針對(duì)性的優(yōu)化措施。例如，因?yàn)橄到y(tǒng)剛度不足導(dǎo)致爬行不穩(wěn)、振動(dòng)增加的，可通過(guò)更換推焦桿、擰緊連接件等方式，提高系統(tǒng)整體剛度。這樣在推進(jìn)過(guò)程中，可保證滑靴底部姿態(tài)穩(wěn)定，振動(dòng)現(xiàn)象得以緩解，為爬行提供更加強(qiáng)勁的動(dòng)力。除此之外，對(duì)于剛投入使用的6.25m搗固型焦?fàn)t設(shè)備，由于未經(jīng)過(guò)磨合，可能會(huì)出現(xiàn)碳化室磚面凹凸不平的現(xiàn)象，由此引起推焦時(shí)的明顯振動(dòng)。對(duì)于此類(lèi)情況，可以在焦?fàn)t設(shè)備正式投入使用前，打磨碳化室磚面，保證滑靴能夠與磚面完全貼合、密切接觸，有效緩解振動(dòng)問(wèn)題。另外，在磚面上定期噴灑潤(rùn)滑劑（如石墨），也是一種比較常用的振動(dòng)緩解方法。

4.3 其他減振措施

（1）定期做好焦?fàn)t工況檢查，如果發(fā)現(xiàn)推焦設(shè)備出現(xiàn)機(jī)械松動(dòng)的情況，應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取緊固處理，避免因?yàn)樗蓜?dòng)導(dǎo)致的推焦振動(dòng)問(wèn)題。

（2）對(duì)于焦化廠新購(gòu)進(jìn)的6.25m搗固型焦?fàn)t設(shè)備，在安裝時(shí)應(yīng)注意按照安裝說(shuō)明進(jìn)行操作，保證精度達(dá)標(biāo)，也能夠減少因?yàn)榘惭b不規(guī)范導(dǎo)致的推焦振動(dòng)情況。

（3）為推焦設(shè)備提供動(dòng)力的電機(jī)，應(yīng)安裝穩(wěn)壓器，避免因?yàn)殡妷和蛔儗?dǎo)致電機(jī)輸出功率不穩(wěn)定，出現(xiàn)推焦力度、推焦速度突變的現(xiàn)象，也是延緩機(jī)械疲勞的一種有效措施。

（4）靈活調(diào)節(jié)推焦桿的支撐高度，使得推焦桿與滑靴之間始終處于平行、等速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。從細(xì)節(jié)上做好推焦設(shè)備的優(yōu)化管理，有助于降低振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率，從而延長(zhǎng)機(jī)械壽命，保證推焦裝置的運(yùn)行可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

推焦桿是6.25m搗固型焦?fàn)t推焦設(shè)備的核心構(gòu)件，但是由于嚙合振動(dòng)、齒輪損傷以及不對(duì)中故障等原因，導(dǎo)致推焦桿在正常使用期間發(fā)生異常振動(dòng)，產(chǎn)生機(jī)械疲勞，嚴(yán)重影響設(shè)備性能和壽命。在明確導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)原因和開(kāi)展可靠性分析的基礎(chǔ)上，從減振方面作為切入點(diǎn)，采取校對(duì)聯(lián)軸器位置、保持齒輪齒條嚙合中心距恒定、打磨碳化室磚面等一系列措施，能夠顯著降低推焦桿的機(jī)械疲勞，對(duì)切實(shí)提高6.25m搗固型焦?fàn)t設(shè)備的性能與壽命起到積極幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 呂磊，何鋼. 基于6σ方法的鋁合金車(chē)輪徑向疲勞壽命可靠性分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2020（8）：1-6.

[2] 邱德元. 內(nèi)燃機(jī)活塞機(jī)械疲勞損傷與可靠性研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（5）：41-42.

[3] 孟爽，向瑾，陳創(chuàng). 推焦速度對(duì)推焦裝置振動(dòng)特性影響分析[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2019，39（3）：63-66.

作者簡(jiǎn)介

王鵬（1987—），男，山西壽陽(yáng)人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)榇笮蜔捊乖O(shè)備的制造、管理和應(yīng)用。