推焦作业过程中推焦装置的振动特性研究

陈俊君，孙桓五

（1.太原理工大学 机械与运载工程学院，太原030024；2.山西大学 自动化系，太原030013；3.太原理工大学 煤炭资源开采利用与装备工程国家级实验教学示范中心，太原030024）

大型焦炉成套设备是炼焦行业中广泛应用的一种机械装置，主要由装煤车、推焦车、拦焦车和熄焦车4大设备组成。国内某重工股份有限公司生产的6.25 m捣固焦炉设备是目前市场占有率较高的焦炉成套设备[1]，其炭化室长为17 m，宽为0.53 m，高为6.25 m，每孔装煤量大约为45.6 t，产焦量约为38 t。推焦车作为焦炉成套设备中重要的执行装置，其主要作用是把炼制的焦炭推出炭化室使其落入熄焦车[2]。推焦车的执行机构为推焦装置，通过对企业生产过程的实地观测，发现推焦装置在推焦作业过程中存在明显振动现象。该振动一方面会造成焦炉内耐火砖松动、移位和断裂、燃烧室和炭化室之间的串漏[3]；另一方面也会造成推焦装置中相互接触的部件之间产生磨损和表面损伤，从而降低设备的可靠性和减少设备寿命。鉴于此，本文通过有限元分析方法对实际工况下推焦装置的振动特性进行研究，并提取推焦装置发生振动的频率以及对应的振型，研究结果对于改进推焦装置的设计以及减轻推焦装置的振动都有一定的参考价值。

1 推焦装置结构及工作原理

推焦装置是将炭化室内的红焦推出炭化室的具体执行机构，其主要结构包括推焦杆、齿轮齿条传动机构、滑履和推焦头。推焦装置的具体结构如图1所示。其中，推焦杆是推焦装置的核心构件，所研究的6.25 m 捣固焦炉设备中推焦杆的重量约为40 t，长为27 m，宽为0.34 m，高为1.05 m。推焦杆由支棍支承，其结构为箱型结构，推焦杆和推焦头通过焊接组合成一体。推焦杆在靠近推焦头的下端面安装滑履机构，在整个上端面安装齿轮齿条传动机构。在推焦杆进入炭化室前滑履机构所处的悬空状态为非工作状态；在推焦杆进入炭化室后其开始工作，对推焦杆起到支承作用，此时滑履与炭化室炉底的耐火砖相接触，运动形式是一种典型的滑动摩擦。工作过程中电动机通过减速机构驱动齿轮齿条进行啮合传动，从而实现推焦杆的前进和后退。

图1 推焦装置结构示意图

2 实际工作状态下推焦装置振动特性的分析

在实际工作状态下，推焦装置要进入炭化室中将成熟的焦炭从炭化室中推出并经过导焦槽准确地落到熄焦车上。而炭化室中的温度高达1 000°C左右，为了真实地反应推焦装置实际的工作环境，采用ANSYS 有限元软件分析推焦装置的瞬态温度场分布情况，在此基础上对推焦装置进行模态分析和谐响应分析，力求使仿真结果可为推焦装置的设计、改进及故障诊断提供一定的理论依据。材料参数设置如表1所示，在仿真分析中，模型采用四面体网格进行划分，网格单元数为137 755，节点数为260 747，环境温度设置为22°C，推焦杆头部与焦炭接触的表面温度设置为1 000°C，经现场测试发现推焦杆进入炭化室将焦炭推出到熄焦车的时间大约为40 s，故在瞬态热分析中将仿真结束时间设为40 s。

2.1 推焦装置温度场分析

2.1.1 瞬态热分析理论

对于推焦装置来说，其表面传热方式主要为对流传热，在装置内部则以热传导为主，采用热能守恒定律可以获得固体热传导微分方程[4]。设定边界条件，并对固体热传导微分方程进行泛函变分，就可以获得用于确定n个节点温度的求解方程[5]为

其中，矩阵C为比热矩阵；K为热传导矩阵；P为节点热流率向量；Tt为节点温度向量，其1 阶导数为温度对时间的导数。在t时刻采用向后差分法获得的有限元方程离散形式为

式中：ο代表无穷小量，将式(2)代入式(1)可求得瞬态温度场的有限元方程为

其中：Δt为时间步长；Tt-Δt为前一时刻的温度场或者初始温度场；把Tt-Δt代入式(3)可求取t时刻的温度场Tt，再由Tt求取后一时刻的温度场Tt+Δt，以此类推就可以获得结构体在后续每一时刻的温度场。

2.1.2 推焦装置瞬态温度场分析

推焦装置仿真分析的瞬态温度变化图如图2所示。

当推焦装置工作时间为10秒时，推焦头的温度为263.21°C，其尾部温度为21.917°C，随着推焦装置在炭化室中工作时间的增加，推焦头的温度逐步升高，在20 s、30 s和40 s的时刻温度分别为506.22°C、747.87°C和990.45°C；而推焦装置尾部的温度基本稳定在室温，在20 s、30 s 和40 s 的时刻温度分别为21.726°C、21.461°C和21.143°C。这表明推焦装置在实际工作过程中，温度场在杆身的分布处于动态变化之中，为了确保仿真分析的准确性，在后续的有限元分析中均考虑温度分布对推焦装置的影响，选取推焦装置在40 s时的状态进行研究。

表1 推焦装置材料设置

图2 推焦装置瞬态温度变化图

2.2 模态分析

2.2.1 模态分析理论

模态是机械结构的固有振动特征，不受外力的影响，只与机械结构本身和所构成的材料有关。在瞬态温度场下，忽略系统阻尼的系统自由振动方程为

其中：K为考虑热效应情况下结构体的刚度矩阵；M为质量矩阵；φ为n阶模态矩阵；ω是与矩阵φ对应的系统固有频率。

假设温度变化不会影响结构体的密度，即质量矩阵M不受温度的影响，则温度的变化通过引起刚度矩阵K发生变化从而导致结构体的固有频率和振型发生变化。一方面，受到热环境的影响，结构体的弹性模量会发生变化，据此得到的刚度矩阵Kc值为

另一方面，由于温度的变化结构体各个部分会产生收缩或膨胀，进而使得结构体内部产生应力，导致初始刚度发生变化，由此可得初应力的刚度矩阵为

由此可知，热环境影响下结构体的刚度矩阵为

其中：Ω为求解域；B为几何矩阵；DT为弹性矩阵，与泊松比μ和弹性模量E有关；G为形函数矩阵；Ί为应力矩阵。

2.2.2 推焦装置模态分析

模态分析的目的在于确定结构的振动特性。在2.1.2小节中对推焦装置进行瞬态温度场分析的基础上，对推焦装置实际工作中与前两个支棍相接触的表面施加约束，求解推焦装置的模态特性。从现场测试来看，推焦装置的振动形式为低频振动，故求取了推焦杆前20 阶模态频率及振型图，推焦装置9～14阶的模态振型如图3所示。

图3 推焦装置9～14阶的模态

从图3的振型结果中，可以发现推焦装置低阶模态中变形较大的部位主要集中在3 个区域，分别为推焦杆杆身，推焦头和滑履。这表明，推焦装置在工作过程中，推焦杆杆身、推焦头和滑履有可能发生比较大的振动变形，影响整个推焦过程的稳定性和可靠性。但是仅通过模态分析还无法揭示推焦装置实际工作中的振动状态，为此接下来将现场试验获取的推焦摩擦阻力引入到推焦装置的谐响应分析中，以提取出推焦装置的振动频率。

2.3 推焦装置振动频率提取

2.3.1 谐响应分析理论

谐响应分析可以用于确定结构体的持续动力性能，是一种常用的结构动力学分析方法[6-7]。由振动学相关知识可知结构体的运动微分方程可表示为

其中：M、C、K分别表示结构体的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；X表示位移向量表示速度向量；X¨表示加速度向量；F表示结构体所受的外加载荷向量。在谐响应分析中，力载荷表达式为

各节点的位移响应为

其中：A表示位移幅值向量；φ表示位移响应滞后于激励载荷的相位角。将式(10)代入式(9)可求得

无法求得式(11)解析解，可利用有限元法进行求解，计算出相应的位移、加速度、应力及应变与振动频率之间的响应曲线。

2.3.2 振动频率提取

振动谐响应分析可用于确定机械设备的持续动力学性能，根据推焦装置实际工作时的受力情况可知，推焦头前端面与焦炭直接接触，在推焦过程中，推焦装置主要需要克服焦炭对其产生的摩擦阻力，根据现场试验，推焦摩擦阻力的数值取为1.6×105N。通过谐响应分析，可获得位移、加速度、应力及应变与振动频率之间的关系。为了分析结果的全面性，限于篇幅，文中分别提取推焦杆尾部端面、推焦头侧面和滑履底面在x、y、z3个方向的加速度和频率之间的响应曲线进行分析，3个方向的加速度和振动频率的响应曲线分别如图4、图5、图6所示。

从中可发现推焦杆、推焦头和滑履在x、y、z3个方向都发生了频率为51 Hz的低频振动，推焦头和滑履在z方向上出现了频率为22 Hz的振动信号，同时滑履在x方向还出现了频率为92 Hz 的振动信号。对比图3的分析结果可知，推焦装置整体的振动形式与模态分析中的第14阶模态相同，即推焦装置在xoz平面内发生较大的弯曲振动，且推焦杆尾部振动最为剧烈，对于局部部件推焦头，除了随整个推焦装置发生振动外，还可能出现22 Hz的低频振动，对于滑履来说，除了随整个推焦装置发生振动外，还可能出现频率为22 Hz和92 Hz的振动。

图4 推焦杆x、y、z 3个方向的加速度与频率之间的响应曲线

图5 推焦头x、y、z 3个方向的加速度与频率之间的响应曲线

图6 滑履x、y、z 3个方向的加速度与频率之间的响应曲线

3 结语

(1)在推焦装置作业过程中推焦头会接触到1 000°C高温的红焦，为了真实模拟实际推焦工况，在对推焦装置进行振动特性分析前首先对推焦装置进行了瞬态温度场分析，发现在推焦作业过程中，推焦头的温度最高，推焦杆尾部温度最低，整个推焦装置的温度场处于动态变化之中。

(2)对推焦装置进行模态分析，发现变形较大的部位主要集中在3个区域，分别为推焦杆杆身、推焦头和滑履。这表明，推焦装置在工作过程中，推焦杆杆身，推焦头和滑履有可能发生比较大的振动变形，影响整个推焦过程的稳定性和可靠性。

(3)通过对推焦装置进行谐响应分析，分别提取了推焦杆、推焦头和滑履在行进方向、竖直方向和横向3 个方向的加速度和频率之间的响应曲线，从中可以发现推焦装置在3个方向上都发生了频率为51 Hz 的低频振动，对比模态分析结果，可知推焦装置发生的振动形式与模态分析中的第14阶模态相同，即推焦装置在xoz平面内发生较大的弯曲振动，且推焦杆尾部振动最为剧烈。