捣固装煤车侧壁结构振动响应分析与试验

郭吉坦,张 轶,高顺德

(1.大连交通大学 土木与安全工程学院,辽宁 大连 116028;2.大连理工大学机械工程学院,辽宁 大连 116024)

随着国民经济的发展,钢铁产量不断增长,对于冶炼钢铁的燃料——焦炭的需求量日益增大[1],促进了炼焦行业飞速发展,炼焦设备趋向大型化.捣固装煤车是捣固炼焦行业最重要的设备之一[2-4],其主要功能是完成捣固和推煤作业.捣固作业就是通过捣固机将粉碎的煤粉夯实,制成一定密实度和规格尺寸的煤饼的工作过程,捣固装煤车的侧壁结构与端部结构围合组成煤饼成型的煤槽.推煤作业则将制成的合格煤饼推送到炭化室内,进行高温炼焦作业[5].炼焦设备大型化后,煤饼尺寸加大,要求捣固锤质量增加.另一方面,随着对捣固载荷研究的深入,可实行结构优化设计,实现捣固装煤车整体结构轻量化.捣固锤冲击对整车振动会有怎样的影响,需要深入研究.目前国内对捣固炼焦设备的结构优化设计有所研究,比如文献[6]研究了捣固工况下捣固装煤车侧壁压力的分布规律,但对捣固装煤车动力振动方面的研究还很少,国外资料也不多.

本文以某重型机械制造公司设计制造的5.5 m捣固装煤车为对象,通过数值分析与现场试验相结合,分析研究了捣固装煤车在捣固作业过程中其侧壁结构的动力学响应.主要:①利用ANSYS计算侧壁结构的模态;②施加由现场试验获取的载荷谱,对侧壁结构进行瞬态响应分析;③在侧壁结构的关键点布置加速度传感器,进行振动响应实测并分析测试数据.将理论分析与实测结果进行比较,其实测结论对捣固装煤车动力学设计方面有一定的指导意义.

1 捣固装煤车侧壁结构概况及其有限元模型

5.5 m捣固装煤车为单体车,车体自重约为400 t,成品煤饼质量约45 t.侧壁结构位于捣固装煤车主梁平面以上,包括侧壁板与支撑桁架.侧壁板由侧壁面板与加强骨架焊接而成,高5.5 m,长约16 m,侧壁板加强骨架沿长度方向(或称纵向)为槽钢、沿高度方向(或称垂向)为工字钢.支撑桁架由工字型钢焊接组成钢架,根部焊接于主梁结构上,桁架高5.6 m,单侧纵向布置10榀支撑桁架.侧壁板与支撑桁架之间通过铰耳和四连杆机构相连,四连杆机构布置在桁架各横梁高度位置上,每榀桁架布置4层,结构示意如图1所示.捣固作业中,装煤装置连续向煤槽给煤,捣固机周期地提升、放松捣固锤,对煤粉进行冲击捣固.捣固装煤车侧壁结构承受由煤饼传递过来的捣固锤冲击载荷,侧壁结构产生振动,其振动幅度是整车结构中最大的.伴随着冲击与振动,捣固装煤车在捣固作业中会产生较大的振动和噪声,其振动品质对煤饼的质量、工人的工作条件及周边环境影响巨大.

捣固装煤车煤槽两侧的侧壁板与支撑桁架对称布置,在进行有限元分析时只取一侧进行建模.侧壁面板为平板承受横向载荷,采用shell63单元模拟;侧壁板加强骨架、连杆机构及支撑桁架为型钢构件,采用beam188单元模拟.有限元模型共有7 562个节点,15 570个单元,如图1所示.

图1 捣固装煤车侧壁结构有限元及结构示意图Fig.1 Finite element model of the sidewall structure

2 侧壁结构模态分析

捣固装媒车侧壁结构是复杂连续振动系统,存在无限多阶固有频率及振型,但对结构影响大的是低阶频率与振型.采用ANSYS模态分析中的分块兰索斯法(Block lanczo)对5.5 m捣固装媒车侧壁结构进行模态分析,提取前4阶模态进行较详细分析.表1列出了模态频率及振动特征,图2绘出了对应的模态振型图.

第1阶振型主要表现为侧壁结构上部绕侧壁长度方向扭转;第2阶振型表现为侧壁结构上部的1阶弯曲;第3阶振型表现为侧壁结构上部的2阶弯曲;第4阶振型表现为侧壁结构上部的3阶弯曲.从4阶振型图中可以看出侧壁结构端部及上部的挠度最大,这主要是因为支撑桁架总体为悬臂结构,其根部固结而上部自由无约束.

表1 侧壁结构各阶模态Tab.1 Model of the sidewall structure

3 侧壁结构振动响应试验

3.1 试验方法

为了研究5.5 m捣固装煤车的振动特性,获得实际工作状态下的振动数据,在整车不同部位布置加速度传感器,进行振动测试.由于压电式加速度传感器具有结构简单、体积小、质量轻、耐高温、测量的频率范围宽、动态范围大、性能稳定、输出线性好等优点[7],所以选用压电式加速度传感器,采用动态信号采集记录系统,采集结构振动加速度响应信号.图3为侧壁骨架、支撑桁架上测点的布置示意图,主要测试结构的横向(与煤槽轴线垂直方向)加速度,在侧壁板端部及部分支撑桁架上分别测试了横向和纵向(与煤槽轴线平行方向)2个方向上的振动.

图2 侧壁结构模态振型Fig.2 First four vibrant shapes of the sidewall structure

3.2 试验数据分析

现场试验中共有26个测点位置,选取部分有代表性测点,将采集的数据进行分析比较,测点编号见图3.

3.2.1 时域分析

3.2.1.1 侧壁板

图3 侧壁结构加速度响应测试布点图Fig.3 Test points arrangement of the sidewall structure acceleration response

图4为侧壁板加强骨架上处于同一水平高度的中部位置(B1点)和端部位置(B3点)横向加速度的实时曲线.由图4可以看出,侧壁板的振幅最大值在零线上下几乎相等,说明侧壁板的振动是关于其平衡位置两侧对称摆动;振动呈周期性变化,侧壁板中部位置(B1点)振动峰值基本相同,峰值的时差为0.283 s(见图4a);侧壁板端部位置(B3点)振动峰值呈现1大2次大规律,两个大峰间的时差为0.85 s,与次峰值间的时差为0.283 s(见图4b).

侧壁结构振动峰值周期与捣固锤的布置及循环周期有关.每个捣固机安装3个捣固锤,锤间相位角为120°,交替升降,单锤循环周期为0.85 s,两锤落锤时差为单锤循环周期的1/3,即0.283 s,与侧壁结构振动出现峰值周期吻合.图4a说明在中间部位正对测点位置的捣固锤及相邻两个锤冲击产生的振动幅值接近,但端部位置捣固锤布置在测点的一侧,远锤产生振动幅值相对小,超过一榀支撑桁架的捣固锤冲击影响可以不考虑,故侧壁板端部振动峰值呈现1大2次大规律.

B1点的峰值为5 m◦s-2,B3点振动大峰值为13 m◦s-2,次峰值为5.5 m◦s-2,说明侧壁板端部的振动比中部更剧烈,振幅差异与支撑状态有关,侧壁板中部处于桁架完全支撑状态,而其端部在支撑桁架支撑点之外还有一定外伸长度,属于外伸形式,振幅要大些.

图4 侧壁板横向加速度实时曲线Fig.4 Time-varing acceleration at Sidewall plate

3.2.1.2 支撑桁架

为了研究振动幅值与高度的关系,将第5榀支撑桁架上的3个不同高度测点的实测曲线进行比较.图5为A1,A2,A3点(即第1,3,4层支撑铰耳高度处支撑桁架横梁上的测点),一次落锤冲击时的加速度实测曲线,可见在同一锤位截面上,结构频率相同,振动峰值几乎同步,但振动幅值随高度增加而加大.

3.2.2 频域分析

将侧壁结构端部位置、侧壁结构中部位置采集的加速度振动时域信号,进行快速傅里叶变换[8,9],得到侧壁结构的响应频谱曲线.图6为第1榀支撑桁架中第4层(A5点)、第3层(A4点)横梁的垂直侧壁板方向振动响应频谱曲线;图7为第5榀支撑桁架中第4层(A3点)、第3层(A2点)横梁的垂直侧壁板方向振动响应频谱曲线.

表2列出响应频率与响应值.图6、图7及表2可以得出侧壁结构中部与端部只有第1阶响应频率相同,而后4阶的振动响应频率不同,侧壁结构高度越高振幅越大.

图5 第5榀支撑桁架加速度实时曲线Fig.5 Time-varing acceleration at fifth girder

图6 第1榀桁架响应频域曲线Fig.6 Frequency domain acceleration at first girder

图7 第5榀桁架响应频域曲线Fig.7 Frequency domain acceleration at fifth girder

表2 侧壁结构响应频率Tab.2 Response frequency of the sidewall structure

4 有限元分析与现场试验结果比较

将文献[6]对5.5 m捣固装煤车在捣固工况下获得的侧壁载荷时域曲线,施加到该车侧壁结构响应分析模型上,利用ANSYS的瞬态分析模块对其进行响应分析.

图8a是侧壁板上中间部位B1测点有限元分析的响应曲线,图8b是该点的实测时域曲线,图8c是将有限元获得的响应曲线与试验实测曲线的叠加比较.可以看出有限元分析与试验结果吻合较好.

图8 B1测点加速度响应有限元计算值与试验值比较Fig.8 Acceleration response of theory and experiment comparisons at B1

5 结论

为了研究捣固装煤车侧壁结构的动态特性,通过现场试验获得捣固装煤车侧壁结构的振动响应数据;分析试验数据,得出侧壁结构的振动规律;对有限元模型施加现场试验,对测得的侧壁时域载荷进行瞬态分析.结果表明:有限元分析获得的侧壁结构响应规律与实测曲线吻合较好,说明有限元模型的建立和分析过程合理,可为以后的捣固装煤车动力学设计提供参考.

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