考慮雙因素耦合的焦爐推焦設備振動機理研究

張紫瑞，孫桓五，向 瑾，邵 琪

（太原理工大學 機械工程學院，山西 太原 030024）

1 引言

太原某重工股份有限公司生產的6.25m搗固型焦爐成套設備是我國超大型焦爐成套裝備，具有較高的自動化及智能化水平，是我國領先的超大型焦爐成套設備。該成套裝備主要由裝煤車、推焦車、搗固機、除塵攔焦車、電機車、熄焦車、導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備，其功能是將紅炭從炭化室推出。在齒輪齒條機構的推動下，推焦桿以一定速度前進，如圖1所示。通過推焦頭將焦炭從炭化室推出。在實際推焦過程中，由于推焦桿經常會發生振動，甚至產生劇烈振動，這不僅會影響推焦設備的正常工作，而且會引起煤餅坍塌、炭化室底面磚面松動、炭化室與燃燒室串漏等嚴重危害。

為了解決該問題，相關技術人員在推焦桿共振、滑靴機構振動等多方面進行了研究?；诮涷炋岢隽艘恍└倪M措施，取得一定效果，但未能從根本上解決問題，特別是在導致推焦桿振動原因的理論分析方面尚未做深入研究。因此研究分析導致推焦桿振動的根本原因，并找到降低或消除振動的有效措施，對于提高推焦設備可靠性、穩定性，提升我國超大型焦爐成套設備的技術水平具有十分重要的意義。

推焦桿的振動是一個多重因素耦合作用的復雜過程。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、齒輪齒條嚙合誤差、前后支棍跳動、較大長度推焦桿運行過程中合力作用位置的不斷調整、高溫及煤焦殘留物導致的摩擦副摩察系數的不穩定、高溫對推焦機構剛度的影響等因素都可能對振動產生重要影響，因而，單因素分析方法很難從根本上解決推焦設備振動機理問題；同時由于推焦桿機構工作于高溫、重載、污染環境中，難以直接通過試驗分析法準確確定產生振動的根本原因。鑒于此，利用虛擬樣機技術和實驗技術相結合的方法，通過建立計算機樣機模型用以代替實際樣機[1]來模擬推焦過程，利用實際振動測試信號驗證推焦模型的正確性，再利用推焦設備模型分析了雙因素耦合作用下推焦設備振動的原因，并提出一些有效減振措施。

2 推焦模型的建立

機械系統模型是指在計算機中建立的能夠反應機械系統結構特征和屬性的靜態模型[2]。使用UG軟件建立長31m、高6.3m的推焦設備模型并完成精確裝配。其主要部件，如圖1所示。

圖1 推焦系統虛擬樣機模型Fig.1 The Virtual Prototyping Model of Coke Pusher Device

采用Parasolid格式[3]進行數據交換，將推焦設備模型導入ADAMS軟件，編輯構件的屬性和構成構件元素的屬性，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、后支輥處均設置轉動副，齒條處設置移動副，滑靴處設置前后擺動的轉動副以及左右擺動的轉動副，使其具有前后小幅度擺動以及左右擺動的自由度，更好的適應滑軌粗糙度的變化。

3 仿真環境的設置

仿真環境指在系統工作過程中，施加在系統上的外界激勵的總稱[5]。對其設置，使之盡可能的接近實際工作環境，此時通過虛擬樣機仿真結果才能真實有效。

3.1 系統驅動設置

驅動速度是通過調節驅動頻率實現的，驅動頻率與驅動速度的關系如經驗式（1）所示。通過對現場的驅動頻率進行測試，結合式（1）計算可得實際驅動速度。將該實際驅動速度作為機械系統模型的驅動速度。

3.2 推焦阻力設置

推焦阻力在推焦過程中不斷變化。當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，推焦阻力達到最大值。隨著推焦過程的繼續進行，焦炭不斷被推出炭化室，此時推焦阻力不斷減小，直到焦炭被完全推出炭化室，此時推焦阻力減少至0。結合以上推焦阻力分析及參考文獻[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 炭化室摩擦設置

摩擦系數的設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。查詢機械設計手冊以及經驗估計設置靜摩擦系數為0.8，動摩擦系數為0.6。

4 推焦設備的振動分析

參考實測推焦時間，設置仿真時間為103s，步長為0.01。觀察仿真結果，如圖3（a）所示。

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

對于以上推焦過程中仿真振動信號進行FFT變換得到頻譜圖，如圖3（b）所示。圖中頻譜產生在1.605Hz及其倍頻上，齒輪齒條實際嚙合頻率為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由齒輪齒條嚙合激發產生。

為了使得虛擬樣機以及振動仿真結果具有科學性以及說服性，我們將對現場振動信號進行實測。對比實測振動信號以及仿真振動信號，從而驗證推焦模型的正確性。

圖3 仿真振動信號Fig.3 The Vibration Signal by Simulation

5 推焦模型正確性驗證

為了解推焦過程推焦桿的實際振動情況，利用加速度傳感器布點于前支座，布點如圖4（a）所示。使用INV3060S數據采集及分析系統進行數據采集和分析，選取1點的振動信號，如圖4（b）所示。

分析測試點振動信號可知，推焦裝置在開始運行即產生小幅振動，推焦開始時刻產生約3m/s2的大幅振動，隨著推焦過程的不斷進行，振幅逐漸減少。

仿真振動信號最大幅值約為1m/s2，相比實際振動強度較弱。該現象是由于仿真模型是剛體構件，而實際生產中推焦桿將會產生一定的柔性變形及爬行現象，在一定程度上加劇推焦裝置的振動。但實測振動信號與仿真振動信號趨勢一致，在本質上產生振動的原因不會因此而改變，因此該機械仿真模型可以正確用于下一步振動原因分析。

為探究影響振動的所有因素。下一步將對所有可能產生振動的主要原因進行單因素及雙因素耦合分析。

圖4 振動測試信號Fig．4 The Vibration Signal of the Test

6 推焦設備振動原因分析

6.1 單因素分析

首先分析齒輪齒條嚙合對于推焦桿振動的影響。分別將齒輪和齒條的驅動速度設為常數值，推焦阻力和摩擦力均設置為0，只考慮齒輪齒條嚙合的影響，仿真結果如圖5所示。

分析結果圖可知，在齒條驅動下推焦裝置幾乎無振動，齒輪驅動下推焦裝置產生（0～250）mm/s2的振動，因此齒輪齒條嚙合可產生振動。

在齒輪驅動下，啟動時刻存在大幅振動是由于以常數值速度啟動，緩慢加速則不存在此振動。之后文中以常數值驅動而產生的初始振動不再加以說明。

結合實際情況齒輪齒條嚙合產生振動的原因總結如下：

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

（2）隨著推焦過程的進行，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生上下位移，導致齒輪齒條中心距不恒定，從而產生振動。

（3）齒輪齒條模數較大，因此存在較大制造誤差，從而產生振動。

（4）齒輪齒條存在一定安裝誤差，從而產生振動。

排除齒輪齒條嚙合影響，在齒條驅動作用下分別添加推焦阻力、摩擦力，發現推焦裝置均無振動。

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

圖5 齒輪、齒條驅動下振動信號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

以試驗測試速度作為仿真速度驅動，推焦阻力摩擦力均為0，研究速度對于齒輪齒條嚙合振動的影響，振動信號如圖6（a）所示。

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

對比圖 5（b）、圖 6（a）可知，當速度變化時，振動加劇。因此速度變化可加劇齒輪齒條嚙合而產生的振動。

6.2.2 齒輪齒條嚙合與推焦阻力的耦合

以常數值齒輪驅動，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，仿真振動信號，如圖6（b）所示。該信號存在振幅為（0～750）mm/s2的振動，相比齒輪齒條單獨引起的振動，該振動更加劇烈。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。對比實際振動圖4（b）可知，兩者在振動程度上較為接近。因此在推焦過程中，推焦阻力是加劇振動的主要原因。

6.2.3 齒輪齒條嚙合與摩擦力的耦合

以定值速度齒輪驅動，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，仿真振動信號，如圖6（c）所示。分析以上振動信號，相比齒輪齒條單獨引起的振動，該振動相對較劇烈。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。

6.3 其他原因分析

6.3.1 與焦炭的成熟度有關

師傅可根據焦炭的揮發分含量判斷焦炭成熟度。當焦炭不成熟時候，則較難推動，振動劇烈。當焦炭過分成熟的時候，煤餅較散，亦較難推動，振動劇烈。結合現場觀察，同一師傅、同一推焦車、不同次推焦的電流和振動情況不同，亦可驗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程度。

6.3.2 與石墨的潤滑有關

根據實際考察，每套推焦設備在起始運行階段無石墨潤滑情況下振動異常劇烈。隨推焦次數的增加，在推焦遺留石墨的潤滑作用下，設備的振動有所減弱。

7 總結

利用虛擬樣機技術和實驗技術相結合的方法，通過建立計算機樣機模型用以代替實際樣機來模擬推焦過程，利用實際振動測試信號驗證推焦模型的正確性，再基于雙因素耦合作用對推焦設備振動的主要原因進行分析。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的激發原因，推焦阻力是加劇振動的主要原因，摩擦力和速度變化也是加劇振動的重要因素，焦炭的成熟度以及石墨的潤滑也影響推焦裝置的振動。

鑒于以上分析，對推焦設備提出以下措施，以減小推焦桿的振動：（1）在推焦桿運行過程中，盡可能保持勻速或者穩定加減速，避免加速度過大運行引起振動；（2）采用一對相同齒輪布置于推焦桿上下位置，齒輪采用同一個電機驅動，保證齒輪齒條中心距恒定，從而減小推焦桿的振動；（3）在推焦桿兩側使用一對相同齒輪驅動，齒輪采用同一個電機驅動，保證中心距恒定，從而減小推焦桿的振動；（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的中心距恒定，從而減小推焦桿的振動；（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；（6）提高系統剛度，減輕變形以及爬行現象，從而一定程度上減小推焦桿的振動；（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。