考慮雙因素耦合的焦?fàn)t推焦設(shè)備振動(dòng)機(jī)理研究

張紫瑞，孫桓五，向 瑾，邵 琪

（太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 引言

太原某重工股份有限公司生產(chǎn)的6.25m搗固型焦?fàn)t成套設(shè)備是我國超大型焦?fàn)t成套裝備，具有較高的自動(dòng)化及智能化水平，是我國領(lǐng)先的超大型焦?fàn)t成套設(shè)備。該成套裝備主要由裝煤車、推焦車、搗固機(jī)、除塵攔焦車、電機(jī)車、熄焦車、導(dǎo)煙車等七大裝備組成。其中，推焦車主要完成推焦和爐門啟閉操作，該裝備的核心工作部件為推設(shè)備，其功能是將紅炭從炭化室推出。在齒輪齒條機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下，推焦桿以一定速度前進(jìn)，如圖1所示。通過推焦頭將焦炭從炭化室推出。在實(shí)際推焦過程中，由于推焦桿經(jīng)常會(huì)發(fā)生振動(dòng)，甚至產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，這不僅會(huì)影響推焦設(shè)備的正常工作，而且會(huì)引起煤餅坍塌、炭化室底面磚面松動(dòng)、炭化室與燃燒室串漏等嚴(yán)重危害。

為了解決該問題，相關(guān)技術(shù)人員在推焦桿共振、滑靴機(jī)構(gòu)振動(dòng)等多方面進(jìn)行了研究。基于經(jīng)驗(yàn)提出了一些改進(jìn)措施，取得一定效果，但未能從根本上解決問題，特別是在導(dǎo)致推焦桿振動(dòng)原因的理論分析方面尚未做深入研究。因此研究分析導(dǎo)致推焦桿振動(dòng)的根本原因，并找到降低或消除振動(dòng)的有效措施，對(duì)于提高推焦設(shè)備可靠性、穩(wěn)定性，提升我國超大型焦?fàn)t成套設(shè)備的技術(shù)水平具有十分重要的意義。

推焦桿的振動(dòng)是一個(gè)多重因素耦合作用的復(fù)雜過程。其中，推焦過程中推焦阻力的變化、速度的急劇變化、滑靴與滑道之間的摩擦自激勵(lì)、齒輪齒條嚙合誤差、前后支棍跳動(dòng)、較大長度推焦桿運(yùn)行過程中合力作用位置的不斷調(diào)整、高溫及煤焦殘留物導(dǎo)致的摩擦副摩察系數(shù)的不穩(wěn)定、高溫對(duì)推焦機(jī)構(gòu)剛度的影響等因素都可能對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生重要影響，因而，單因素分析方法很難從根本上解決推焦設(shè)備振動(dòng)機(jī)理問題；同時(shí)由于推焦桿機(jī)構(gòu)工作于高溫、重載、污染環(huán)境中，難以直接通過試驗(yàn)分析法準(zhǔn)確確定產(chǎn)生振動(dòng)的根本原因。鑒于此，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合的方法，通過建立計(jì)算機(jī)樣機(jī)模型用以代替實(shí)際樣機(jī)[1]來模擬推焦過程，利用實(shí)際振動(dòng)測試信號(hào)驗(yàn)證推焦模型的正確性，再利用推焦設(shè)備模型分析了雙因素耦合作用下推焦設(shè)備振動(dòng)的原因，并提出一些有效減振措施。

2 推焦模型的建立

機(jī)械系統(tǒng)模型是指在計(jì)算機(jī)中建立的能夠反應(yīng)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征和屬性的靜態(tài)模型[2]。使用UG軟件建立長31m、高6.3m的推焦設(shè)備模型并完成精確裝配。其主要部件，如圖1所示。

圖1 推焦系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型Fig.1 The Virtual Prototyping Model of Coke Pusher Device

采用Parasolid格式[3]進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將推焦設(shè)備模型導(dǎo)入ADAMS軟件，編輯構(gòu)件的屬性和構(gòu)成構(gòu)件元素的屬性，包括顏色、位置、名稱和材料屬性等信息[4]。齒輪、前支輥、中支輥、后支輥處均設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)副，齒條處設(shè)置移動(dòng)副，滑靴處設(shè)置前后擺動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)副以及左右擺動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)副，使其具有前后小幅度擺動(dòng)以及左右擺動(dòng)的自由度，更好的適應(yīng)滑軌粗糙度的變化。

3 仿真環(huán)境的設(shè)置

仿真環(huán)境指在系統(tǒng)工作過程中，施加在系統(tǒng)上的外界激勵(lì)的總稱[5]。對(duì)其設(shè)置，使之盡可能的接近實(shí)際工作環(huán)境，此時(shí)通過虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果才能真實(shí)有效。

3.1 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)置

驅(qū)動(dòng)速度是通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率實(shí)現(xiàn)的，驅(qū)動(dòng)頻率與驅(qū)動(dòng)速度的關(guān)系如經(jīng)驗(yàn)式（1）所示。通過對(duì)現(xiàn)場的驅(qū)動(dòng)頻率進(jìn)行測試，結(jié)合式（1）計(jì)算可得實(shí)際驅(qū)動(dòng)速度。將該實(shí)際驅(qū)動(dòng)速度作為機(jī)械系統(tǒng)模型的驅(qū)動(dòng)速度。

3.2 推焦阻力設(shè)置

推焦阻力在推焦過程中不斷變化。當(dāng)疏松的焦炭被壓密過程中推焦阻力不斷增大，直到焦炭被全部壓緊，推焦阻力達(dá)到最大值。隨著推焦過程的繼續(xù)進(jìn)行，焦炭不斷被推出炭化室，此時(shí)推焦阻力不斷減小，直到焦炭被完全推出炭化室，此時(shí)推焦阻力減少至0。結(jié)合以上推焦阻力分析及參考文獻(xiàn)[6]將推焦阻力簡化，如圖2所示。

圖2 推焦阻力Fig.2 Coke Pushing Resistance

3.3 炭化室摩擦設(shè)置

摩擦系數(shù)的設(shè)置主要由接觸材料決定，滑靴底部材料為鋼，滑道材料為耐火磚。查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)以及經(jīng)驗(yàn)估計(jì)設(shè)置靜摩擦系數(shù)為0.8，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.6。

4 推焦設(shè)備的振動(dòng)分析

參考實(shí)測推焦時(shí)間，設(shè)置仿真時(shí)間為103s，步長為0.01。觀察仿真結(jié)果，如圖3（a）所示。

分析推焦過程仿真振動(dòng)信號(hào)，推焦桿全程均存在一定程度振動(dòng)，開始推焦時(shí)刻推焦桿即出現(xiàn)大幅劇烈振動(dòng)，振動(dòng)最大幅值約為1m/s2。隨著推焦過程的不斷進(jìn)行，振幅逐漸減少。初步推測推焦過程中推焦裝置振動(dòng)與推焦阻力相關(guān)。

對(duì)于以上推焦過程中仿真振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行FFT變換得到頻譜圖，如圖3（b）所示。圖中頻譜產(chǎn)生在1.605Hz及其倍頻上，齒輪齒條實(shí)際嚙合頻率為1.604Hz，與頻譜圖中頻率值基本相符。因此說明該推焦過程中振動(dòng)由齒輪齒條嚙合激發(fā)產(chǎn)生。

為了使得虛擬樣機(jī)以及振動(dòng)仿真結(jié)果具有科學(xué)性以及說服性，我們將對(duì)現(xiàn)場振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)測。對(duì)比實(shí)測振動(dòng)信號(hào)以及仿真振動(dòng)信號(hào)，從而驗(yàn)證推焦模型的正確性。

圖3 仿真振動(dòng)信號(hào)Fig.3 The Vibration Signal by Simulation

5 推焦模型正確性驗(yàn)證

為了解推焦過程推焦桿的實(shí)際振動(dòng)情況，利用加速度傳感器布點(diǎn)于前支座，布點(diǎn)如圖4（a）所示。使用INV3060S數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，選取1點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，如圖4（b）所示。

分析測試點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)可知，推焦裝置在開始運(yùn)行即產(chǎn)生小幅振動(dòng)，推焦開始時(shí)刻產(chǎn)生約3m/s2的大幅振動(dòng)，隨著推焦過程的不斷進(jìn)行，振幅逐漸減少。

仿真振動(dòng)信號(hào)最大幅值約為1m/s2，相比實(shí)際振動(dòng)強(qiáng)度較弱。該現(xiàn)象是由于仿真模型是剛體構(gòu)件，而實(shí)際生產(chǎn)中推焦桿將會(huì)產(chǎn)生一定的柔性變形及爬行現(xiàn)象，在一定程度上加劇推焦裝置的振動(dòng)。但實(shí)測振動(dòng)信號(hào)與仿真振動(dòng)信號(hào)趨勢一致，在本質(zhì)上產(chǎn)生振動(dòng)的原因不會(huì)因此而改變，因此該機(jī)械仿真模型可以正確用于下一步振動(dòng)原因分析。

為探究影響振動(dòng)的所有因素。下一步將對(duì)所有可能產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因進(jìn)行單因素及雙因素耦合分析。

圖4 振動(dòng)測試信號(hào)Fig．4 The Vibration Signal of the Test

6 推焦設(shè)備振動(dòng)原因分析

6.1 單因素分析

首先分析齒輪齒條嚙合對(duì)于推焦桿振動(dòng)的影響。分別將齒輪和齒條的驅(qū)動(dòng)速度設(shè)為常數(shù)值，推焦阻力和摩擦力均設(shè)置為0，只考慮齒輪齒條嚙合的影響，仿真結(jié)果如圖5所示。

分析結(jié)果圖可知，在齒條驅(qū)動(dòng)下推焦裝置幾乎無振動(dòng)，齒輪驅(qū)動(dòng)下推焦裝置產(chǎn)生（0～250）mm/s2的振動(dòng)，因此齒輪齒條嚙合可產(chǎn)生振動(dòng)。

在齒輪驅(qū)動(dòng)下，啟動(dòng)時(shí)刻存在大幅振動(dòng)是由于以常數(shù)值速度啟動(dòng)，緩慢加速則不存在此振動(dòng)。之后文中以常數(shù)值驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的初始振動(dòng)不再加以說明。

結(jié)合實(shí)際情況齒輪齒條嚙合產(chǎn)生振動(dòng)的原因總結(jié)如下：

（1）約30m推焦桿放置于支棍上，未限制其上下自由度，導(dǎo)致齒輪齒條中心距不恒定，從而產(chǎn)生振動(dòng)。

（2）隨著推焦過程的進(jìn)行，推焦桿作為長梁卻無足夠支撐而存在一定變形，齒輪齒條嚙合部位產(chǎn)生上下位移，導(dǎo)致齒輪齒條中心距不恒定，從而產(chǎn)生振動(dòng)。

（3）齒輪齒條模數(shù)較大，因此存在較大制造誤差，從而產(chǎn)生振動(dòng)。

（4）齒輪齒條存在一定安裝誤差，從而產(chǎn)生振動(dòng)。

排除齒輪齒條嚙合影響，在齒條驅(qū)動(dòng)作用下分別添加推焦阻力、摩擦力，發(fā)現(xiàn)推焦裝置均無振動(dòng)。

綜上可知，單因素齒輪齒條嚙合引起推焦裝置振動(dòng)，單獨(dú)推焦阻力、摩擦力不引起推焦系統(tǒng)振動(dòng)。

圖5 齒輪、齒條驅(qū)動(dòng)下振動(dòng)信號(hào)Fig．5 The Vibration Signal Under the Gear or Rack Driving

6.2 雙因素耦合分析

6.2.1 齒輪齒條嚙合與速度的耦合

以試驗(yàn)測試速度作為仿真速度驅(qū)動(dòng)，推焦阻力摩擦力均為0，研究速度對(duì)于齒輪齒條嚙合振動(dòng)的影響，振動(dòng)信號(hào)如圖6（a）所示。

圖6 齒輪齒條嚙合與各因素耦合振動(dòng)信號(hào)Fig．6 The Vibration Signal of Coupling the Meshing of Gear and Various Factors

對(duì)比圖 5（b）、圖 6（a）可知，當(dāng)速度變化時(shí)，振動(dòng)加劇。因此速度變化可加劇齒輪齒條嚙合而產(chǎn)生的振動(dòng)。

6.2.2 齒輪齒條嚙合與推焦阻力的耦合

以常數(shù)值齒輪驅(qū)動(dòng)，摩擦力為0，添加圖2推焦阻力。即考慮齒輪齒條嚙合及推焦阻力的影響，仿真振動(dòng)信號(hào)，如圖6（b）所示。該信號(hào)存在振幅為（0～750）mm/s2的振動(dòng)，相比齒輪齒條單獨(dú)引起的振動(dòng)，該振動(dòng)更加劇烈。因此，齒輪齒條嚙合與推焦阻力的耦合在很大程度上加劇了推焦桿的振動(dòng)。對(duì)比實(shí)際振動(dòng)圖4（b）可知，兩者在振動(dòng)程度上較為接近。因此在推焦過程中，推焦阻力是加劇振動(dòng)的主要原因。

6.2.3 齒輪齒條嚙合與摩擦力的耦合

以定值速度齒輪驅(qū)動(dòng)，推焦阻力為0，添加摩擦力。即考慮齒輪齒條嚙合以及摩擦力的影響，仿真振動(dòng)信號(hào)，如圖6（c）所示。分析以上振動(dòng)信號(hào)，相比齒輪齒條單獨(dú)引起的振動(dòng)，該振動(dòng)相對(duì)較劇烈。因此齒輪齒條嚙合與摩擦力的耦合可以在一定程度上加劇推焦桿的振動(dòng)。

6.3 其他原因分析

6.3.1 與焦炭的成熟度有關(guān)

師傅可根據(jù)焦炭的揮發(fā)分含量判斷焦炭成熟度。當(dāng)焦炭不成熟時(shí)候，則較難推動(dòng)，振動(dòng)劇烈。當(dāng)焦炭過分成熟的時(shí)候，煤餅較散，亦較難推動(dòng)，振動(dòng)劇烈。結(jié)合現(xiàn)場觀察，同一師傅、同一推焦車、不同次推焦的電流和振動(dòng)情況不同，亦可驗(yàn)證焦炭成熟度影響推焦難易程度，從而影響著推焦過程中的振動(dòng)程度。

6.3.2 與石墨的潤滑有關(guān)

根據(jù)實(shí)際考察，每套推焦設(shè)備在起始運(yùn)行階段無石墨潤滑情況下振動(dòng)異常劇烈。隨推焦次數(shù)的增加，在推焦遺留石墨的潤滑作用下，設(shè)備的振動(dòng)有所減弱。

7 總結(jié)

利用虛擬樣機(jī)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合的方法，通過建立計(jì)算機(jī)樣機(jī)模型用以代替實(shí)際樣機(jī)來模擬推焦過程，利用實(shí)際振動(dòng)測試信號(hào)驗(yàn)證推焦模型的正確性，再基于雙因素耦合作用對(duì)推焦設(shè)備振動(dòng)的主要原因進(jìn)行分析。最終分析得到：齒輪齒條嚙合是推焦裝置在推焦過程中振動(dòng)的激發(fā)原因，推焦阻力是加劇振動(dòng)的主要原因，摩擦力和速度變化也是加劇振動(dòng)的重要因素，焦炭的成熟度以及石墨的潤滑也影響推焦裝置的振動(dòng)。

鑒于以上分析，對(duì)推焦設(shè)備提出以下措施，以減小推焦桿的振動(dòng)：（1）在推焦桿運(yùn)行過程中，盡可能保持勻速或者穩(wěn)定加減速，避免加速度過大運(yùn)行引起振動(dòng)；（2）采用一對(duì)相同齒輪布置于推焦桿上下位置，齒輪采用同一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，保證齒輪齒條中心距恒定，從而減小推焦桿的振動(dòng)；（3）在推焦桿兩側(cè)使用一對(duì)相同齒輪驅(qū)動(dòng)，齒輪采用同一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，保證中心距恒定，從而減小推焦桿的振動(dòng)；（4）在齒輪和齒條嚙合前后位置采用彈簧壓塊固定推焦桿，保證齒輪齒條嚙合時(shí)的中心距恒定，從而減小推焦桿的振動(dòng)；（5）提高齒輪齒條的制造和安裝精度，從而在一定程度上減小推焦桿的振動(dòng)；（6）提高系統(tǒng)剛度，減輕變形以及爬行現(xiàn)象，從而一定程度上減小推焦桿的振動(dòng)；（7）在盡可能情況下，保證焦炭的成熟度，減少生焦、過熟焦情況，從而減小推焦桿的振動(dòng)。