推焦速度對(duì)推焦裝置振動(dòng)特性影響分析

孟 爽，向 瑾，陳 創(chuàng)

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

太原某公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的6.25米搗固焦?fàn)t成套設(shè)備已經(jīng)銷往各地焦化廠并投入使用。爐成套設(shè)備主要包括四大車，四大車各自承擔(dān)著不同的工作任務(wù)，其中推焦車作為推焦裝置,主要負(fù)責(zé)將焦?fàn)t燒制好的焦炭推出炭化室，推焦桿是其主要工作部件。在實(shí)際運(yùn)行過程中，推焦桿易于發(fā)生較大幅度振動(dòng)，影響焦炭產(chǎn)量，甚至破壞焦?fàn)t，并且由于不同操作人員操作推焦車采取的推焦速度不同，造成推焦裝置振動(dòng)程度明顯不同。因此研究推焦速度對(duì)推焦裝置振動(dòng)特性的影響很有必要。

推焦裝置是一種將成熟焦炭推出爐體的設(shè)備，由推焦桿、支撐軸座及齒輪等部件組成，其核心部件是推焦桿。文獻(xiàn)[1]通過計(jì)算得到了推程中桿所受阻力曲線，并采用理論計(jì)算方法得出推焦裝置在外界阻力作用下的振動(dòng)響應(yīng)，為實(shí)現(xiàn)裝置減振設(shè)計(jì)提供了一定依據(jù)。通過現(xiàn)場(chǎng)采集推焦裝置振動(dòng)加速度、噪聲、電機(jī)電流等參數(shù)信號(hào)，文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻處理后得出推焦裝置振動(dòng)主要是由于滑靴和炭化室地面之間存在干摩擦引起自激振動(dòng)造成。文獻(xiàn)[4]采用虛擬樣機(jī)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法探究了推焦裝置振動(dòng)機(jī)理，得出裝置振動(dòng)是由多因素耦合造成。文獻(xiàn)[5]通過數(shù)值仿真計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了影響推焦桿振動(dòng)的因素包括動(dòng)靜摩擦系數(shù)差值、剛度及阻尼，并給出了相應(yīng)的減振措施。當(dāng)前對(duì)推焦裝置的研究多集中于確定裝置振動(dòng)原因，理論分析裝置振動(dòng)特點(diǎn)，而忽略了人為因素，未提出有效減振措施。

在機(jī)械系統(tǒng)中，一些低剛度部件受外力作用易發(fā)生變形。在實(shí)際工程動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，如果不考慮由于變形造成的影響，最終可能得出錯(cuò)誤結(jié)論。文獻(xiàn)[6]應(yīng)用多軟件聯(lián)合仿真建立了自動(dòng)傾斜器剛?cè)狁詈夏Ｐ停抡婧筇幚肀砻髟撃Ｐ捅燃儎傂阅Ｐ透芊从匙詣?dòng)傾斜器的運(yùn)動(dòng)特性。文獻(xiàn)[7]創(chuàng)建了自卸汽車整車剛?cè)狁詈夏Ｐ停抡婧笈c對(duì)應(yīng)的純剛性模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)柔性體模型獲得的作用力更小一些，為機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。目前還沒有研究將剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)仿真這種方法應(yīng)用于推焦裝置，因此本文應(yīng)用ANSYS和ADAMS創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ停_展軟件聯(lián)合仿真，剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)相比純剛體系統(tǒng)可以更準(zhǔn)確的描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀況。

本文以6.25 米搗固型焦?fàn)t推焦設(shè)備為研究對(duì)象，利用通過和準(zhǔn)軟件聯(lián)合仿真創(chuàng)建了推焦裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ停Ｐ徒?jīng)驗(yàn)證正確后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，模擬實(shí)際推焦過程，著重研究了推焦速度對(duì)推焦裝置振動(dòng)特性的影響。

1 剛?cè)狁詈戏治龌纠碚?/h2>

ADAMS 采用笛卡爾方法對(duì)剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，模型考慮了構(gòu)件彈性變形對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的影響，比較準(zhǔn)確地反映了機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀況。

1.1 柔性體建模

考慮到部件發(fā)生的彈性變形對(duì)部件整體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的作用，人們開始采用混合坐標(biāo)來描述變形體的坐標(biāo)系的位置，即混合坐標(biāo)建模。該方法首先對(duì)易變形體建立浮動(dòng)坐標(biāo)系，該體內(nèi)各點(diǎn)的相對(duì)位置一直發(fā)生變動(dòng)，需要依靠動(dòng)坐標(biāo)和彈性坐標(biāo)共同得到易變形體在慣性參考系中的位置。柔性體內(nèi)部存在應(yīng)變，各點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)位置不是固定不變的，因此動(dòng)坐標(biāo)系選用的是隨著柔性體變形而不斷變動(dòng)的坐標(biāo)系，即“浮動(dòng)坐標(biāo)系”如圖1所示[8]。

混合坐標(biāo)法結(jié)合剛體坐標(biāo)和模態(tài)坐標(biāo)生成系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，是目前經(jīng)常采用的一種剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)創(chuàng)建模型的方法[9]。

圖1 柔性體上節(jié)點(diǎn)P位置坐標(biāo)

1.2 柔性體運(yùn)動(dòng)微分方程

方程中Ψ為約束方程；λ是對(duì)應(yīng)Ψ的拉氏乘子；Q為投影到ξ上的廣義力；L是拉格朗日項(xiàng)，L=T-W，T為動(dòng)能，W為勢(shì)能；Γ表示能量損耗函數(shù)。

將柔性體的T，W，Γ代入上式，求解得柔性體運(yùn)動(dòng)微分方程

其中：ξ為柔性體的廣義坐標(biāo)；Μ為質(zhì)量矩陣；為Μ對(duì)柔性體廣義坐標(biāo)的偏導(dǎo)數(shù)。

2 仿真模型建立與驗(yàn)證

應(yīng)用UG創(chuàng)建推焦裝置三維模型，圖2為精確裝配后的模型圖隱藏了對(duì)稱結(jié)構(gòu)部件傳動(dòng)支座的前半部份。將模型簡化處理后導(dǎo)入ADAMS，為各構(gòu)件賦予對(duì)應(yīng)材料屬性，按照實(shí)際情況添加約束。

圖2 推焦裝置結(jié)構(gòu)簡圖

對(duì)添加約束后的模型進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果顯示模型沒有出現(xiàn)冗余約束，自由度不為0，因此模型可以用于仿真分析計(jì)算[10]。

滑靴下部與上部之間依靠旋轉(zhuǎn)副約束，當(dāng)推焦桿進(jìn)入爐體后不久，滑靴下部與爐體底部接觸，推焦裝置受到的支撐力主要由滑靴下部以及靠近炭化室一側(cè)的支撐輥提供，隨著推焦桿伸入炭化室內(nèi)部，滑靴下部對(duì)推焦桿的支撐作用加強(qiáng)，受力增加，因此滑靴下部會(huì)產(chǎn)生難以忽略的變形。應(yīng)用ANSYS 軟件生成滑靴下部的模態(tài)中性文件，該文件包含了滑靴下部的頻率以及載荷的參與因子等信息[11]。將該柔性體替換ADAMS中對(duì)應(yīng)的滑靴下部，圖3為創(chuàng)建的推焦裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?/p>

圖3 推焦裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

在ANSYS中對(duì)滑靴下部展開自由模態(tài)分析，得到其固有頻率，并對(duì)比應(yīng)用ADAMS FLEX工具查看的模態(tài)中性文件頻率，結(jié)果如表1所示。

表1 ANSYS與ADAMS環(huán)境中滑靴下部固有頻率對(duì)比表

從表1可以看出ANSYS 與ADAMS 環(huán)境中滑靴下部固有頻率誤差范圍在0.000 3%～0.486 1%內(nèi)，誤差很小，表明軟件之間聯(lián)合仿真的數(shù)據(jù)交換基本實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，建立的剛?cè)狁詈夏Ｐ涂梢暂^好反映推焦裝置實(shí)際運(yùn)動(dòng)特性。

3 動(dòng)力學(xué)仿真分析

3.1 添加驅(qū)動(dòng)

推焦裝置主要依靠步進(jìn)電機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)推桿上部的齒輪帶動(dòng)桿上齒條，使桿前后運(yùn)動(dòng)，整體裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在非超載情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速只取決于驅(qū)動(dòng)頻率，而不受其它因素影響，由公式(3)可以計(jì)算得出實(shí)際驅(qū)動(dòng)速度，再根據(jù)公式(4)計(jì)算得出傳動(dòng)齒輪角速度，作為仿真驅(qū)動(dòng)速度。

根據(jù)對(duì)推焦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際觀察，整理記錄推焦過程中推焦車操作室的操作數(shù)據(jù)，確定在推焦時(shí)執(zhí)行的推焦速度范圍大概在0.25 m/s～0.45 m/s之間。

圖4 推焦裝置整體結(jié)構(gòu)圖

3.2 動(dòng)力學(xué)仿真

不同操作人員在推程中采取的推動(dòng)速度不同，造成推程中豎直方向上推焦裝置振動(dòng)劇烈程度差異較大。為研究推焦速度對(duì)推焦裝置振動(dòng)特性的影響，保持其它參量相同，以推焦速度為變量對(duì)推焦裝置推程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，設(shè)置仿真步長為0.001 s，推程位移為18 m。仿真得到的不同推焦速度下推焦桿豎直Z方向加速度曲線圖如圖5所示。

從曲線圖中可以看出，裝置初始運(yùn)行時(shí)，由于速度發(fā)生突變，推焦桿瞬間Z向加速度很大，裝置運(yùn)行平穩(wěn)后加速度恢復(fù)正常狀態(tài)，后續(xù)加速度出現(xiàn)突變主要是由于推焦桿所受支撐發(fā)生變化引起的，如支撐方式發(fā)生變化、起支撐作用的支撐輥數(shù)量減少等都會(huì)造成加速度劇烈變化。僅依靠曲線圖難以得出更多有效信息，因此繼續(xù)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)值對(duì)比分析。RMS也就是有效值，當(dāng)有效值的物理參數(shù)是加速度時(shí)，可以用于判別機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)的劇烈程度。表2為對(duì)仿真得到的豎直加速度曲線數(shù)值處理所得到的結(jié)果。

表2 數(shù)值對(duì)比結(jié)果

分析表格可以看出，當(dāng)推焦裝置其余參量保持不變時(shí)，推程中隨著推焦速度增加，推焦桿豎直方向加速度有效值逐漸變大，即當(dāng)推焦速度減小時(shí)，推焦桿主要方向（豎直方向）的振動(dòng)呈現(xiàn)減弱的變化規(guī)律。

圖5 不同推焦速度推焦桿Z向加速度曲線圖

4 結(jié)語

針對(duì)焦炭生產(chǎn)過程中，不同操作人員采取不同推焦速度進(jìn)行推焦造成推焦裝置振動(dòng)劇烈程度不同的現(xiàn)狀，本文以大型焦?fàn)t推焦裝置為研究對(duì)象，應(yīng)用多軟件聯(lián)合仿真的方法創(chuàng)建了推焦裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ停ㄟ^動(dòng)力學(xué)仿真研究了不同推焦速度對(duì)推焦裝置振動(dòng)特性的影響。結(jié)果表明：隨著推焦速度的減小，推焦桿豎直方向上振動(dòng)逐漸減弱。在滿足焦炭產(chǎn)量要求條件下，可以通過適當(dāng)減小推焦速度達(dá)到裝置減振的目的。利用剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡娣治鲅芯康姆椒ǎ軌蚋訙?zhǔn)確反應(yīng)推焦裝置的實(shí)際運(yùn)動(dòng)特性，同時(shí)大大縮短了裝置減振的研究周期，節(jié)省研究費(fèi)用，該研究結(jié)論為推焦裝置后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)有借鑒意義。