推焦速度對推焦裝置振動特性影響分析

孟 爽，向 瑾，陳 創

（太原理工大學 機械工程學院,太原030024）

太原某公司設計生產的6.25米搗固焦爐成套設備已經銷往各地焦化廠并投入使用。爐成套設備主要包括四大車，四大車各自承擔著不同的工作任務，其中推焦車作為推焦裝置,主要負責將焦爐燒制好的焦炭推出炭化室，推焦桿是其主要工作部件。在實際運行過程中，推焦桿易于發生較大幅度振動，影響焦炭產量，甚至破壞焦爐，并且由于不同操作人員操作推焦車采取的推焦速度不同，造成推焦裝置振動程度明顯不同。因此研究推焦速度對推焦裝置振動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[1]通過計算得到了推程中桿所受阻力曲線，并采用理論計算方法得出推焦裝置在外界阻力作用下的振動響應，為實現裝置減振設計提供了一定依據。通過現場采集推焦裝置振動加速度、噪聲、電機電流等參數信號，文獻[2]、文獻[3]對采集信號進行時頻處理后得出推焦裝置振動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造成。文獻[4]采用虛擬樣機技術與實驗測試相結合的方法探究了推焦裝置振動機理，得出裝置振動是由多因素耦合造成。文獻[5]通過數值仿真計算以及現場實驗研究，驗證了影響推焦桿振動的因素包括動靜摩擦系數差值、剛度及阻尼，并給出了相應的減振措施。當前對推焦裝置的研究多集中于確定裝置振動原因，理論分析裝置振動特點，而忽略了人為因素，未提出有效減振措施。

在機械系統中，一些低剛度部件受外力作用易發生變形。在實際工程動力學分析時，如果不考慮由于變形造成的影響，最終可能得出錯誤結論。文獻[6]應用多軟件聯合仿真建立了自動傾斜器剛柔耦合模型，仿真后處理表明該模型比純剛性模型更能反映自動傾斜器的運動特性。文獻[7]創建了自卸汽車整車剛柔耦合模型，仿真后與對應的純剛性模型仿真結果進行對比，發現柔性體模型獲得的作用力更小一些，為機構優化設計提供了依據。目前還沒有研究將剛柔耦合多體系統仿真這種方法應用于推焦裝置，因此本文應用ANSYS和ADAMS創建機械系統剛柔耦合模型，開展軟件聯合仿真，剛柔耦合系統相比純剛體系統可以更準確的描述系統運動狀況。

本文以6.25 米搗固型焦爐推焦設備為研究對象，利用通過和準軟件聯合仿真創建了推焦裝置剛柔耦合模型，模型經驗證正確后進行動力學仿真分析，模擬實際推焦過程，著重研究了推焦速度對推焦裝置振動特性的影響。

1 剛柔耦合分析基本理論

ADAMS 采用笛卡爾方法對剛柔耦合系統進行數學建模，模型考慮了構件彈性變形對系統運動的影響，比較準確地反映了機械系統的運動狀況。

1.1 柔性體建模

考慮到部件發生的彈性變形對部件整體運動產生的作用，人們開始采用混合坐標來描述變形體的坐標系的位置，即混合坐標建模。該方法首先對易變形體建立浮動坐標系，該體內各點的相對位置一直發生變動，需要依靠動坐標和彈性坐標共同得到易變形體在慣性參考系中的位置。柔性體內部存在應變，各點相對坐標位置不是固定不變的，因此動坐標系選用的是隨著柔性體變形而不斷變動的坐標系，即“浮動坐標系”如圖1所示[8]。

混合坐標法結合剛體坐標和模態坐標生成系統的動力學模型，是目前經常采用的一種剛柔耦合系統創建模型的方法[9]。

圖1 柔性體上節點P位置坐標

1.2 柔性體運動微分方程

方程中Ψ為約束方程；λ是對應Ψ的拉氏乘子；Q為投影到ξ上的廣義力；L是拉格朗日項，L=T-W，T為動能，W為勢能；Γ表示能量損耗函數。

將柔性體的T，W，Γ代入上式，求解得柔性體運動微分方程

其中：ξ為柔性體的廣義坐標；Μ為質量矩陣；為Μ對柔性體廣義坐標的偏導數。

2 仿真模型建立與驗證

應用UG創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稱結構部件傳動支座的前半部份。將模型簡化處理后導入ADAMS，為各構件賦予對應材料屬性，按照實際情況添加約束。

圖2 推焦裝置結構簡圖

對添加約束后的模型進行校驗，結果顯示模型沒有出現冗余約束，自由度不為0，因此模型可以用于仿真分析計算[10]。

滑靴下部與上部之間依靠旋轉副約束，當推焦桿進入爐體后不久，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的支撐輥提供，隨著推焦桿伸入炭化室內部，滑靴下部對推焦桿的支撐作用加強，受力增加，因此滑靴下部會產生難以忽略的變形。應用ANSYS 軟件生成滑靴下部的模態中性文件，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中對應的滑靴下部，圖3為創建的推焦裝置剛柔耦合模型。

圖3 推焦裝置剛柔耦合模型

在ANSYS中對滑靴下部展開自由模態分析，得到其固有頻率，并對比應用ADAMS FLEX工具查看的模態中性文件頻率，結果如表1所示。

表1 ANSYS與ADAMS環境中滑靴下部固有頻率對比表

從表1可以看出ANSYS 與ADAMS 環境中滑靴下部固有頻率誤差范圍在0.000 3%～0.486 1%內，誤差很小，表明軟件之間聯合仿真的數據交換基本實現無縫對接，建立的剛柔耦合模型可以較好反映推焦裝置實際運動特性。

3 動力學仿真分析

3.1 添加驅動

推焦裝置主要依靠步進電機通過減速器驅動推桿上部的齒輪帶動桿上齒條，使桿前后運動，整體裝置結構如圖4所示。

在非超載情況下，步進電機的轉速只取決于驅動頻率，而不受其它因素影響，由公式(3)可以計算得出實際驅動速度，再根據公式(4)計算得出傳動齒輪角速度，作為仿真驅動速度。

根據對推焦現場的實際觀察，整理記錄推焦過程中推焦車操作室的操作數據，確定在推焦時執行的推焦速度范圍大概在0.25 m/s～0.45 m/s之間。

圖4 推焦裝置整體結構圖

3.2 動力學仿真

不同操作人員在推程中采取的推動速度不同，造成推程中豎直方向上推焦裝置振動劇烈程度差異較大。為研究推焦速度對推焦裝置振動特性的影響，保持其它參量相同，以推焦速度為變量對推焦裝置推程進行動力學仿真，設置仿真步長為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，裝置初始運行時，由于速度發生突變，推焦桿瞬間Z向加速度很大，裝置運行平穩后加速度恢復正常狀態，后續加速度出現突變主要是由于推焦桿所受支撐發生變化引起的，如支撐方式發生變化、起支撐作用的支撐輥數量減少等都會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，因此繼續對仿真結果進行數值對比分析。RMS也就是有效值，當有效值的物理參數是加速度時，可以用于判別機械系統振動的劇烈程度。表2為對仿真得到的豎直加速度曲線數值處理所得到的結果。

表2 數值對比結果

分析表格可以看出，當推焦裝置其余參量保持不變時，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，即當推焦速度減小時，推焦桿主要方向（豎直方向）的振動呈現減弱的變化規律。

圖5 不同推焦速度推焦桿Z向加速度曲線圖

4 結語

針對焦炭生產過程中，不同操作人員采取不同推焦速度進行推焦造成推焦裝置振動劇烈程度不同的現狀，本文以大型焦爐推焦裝置為研究對象，應用多軟件聯合仿真的方法創建了推焦裝置剛柔耦合模型，通過動力學仿真研究了不同推焦速度對推焦裝置振動特性的影響。結果表明：隨著推焦速度的減小，推焦桿豎直方向上振動逐漸減弱。在滿足焦炭產量要求條件下，可以通過適當減小推焦速度達到裝置減振的目的。利用剛柔耦合模型仿真分析研究的方法，能夠更加準確反應推焦裝置的實際運動特性，同時大大縮短了裝置減振的研究周期，節省研究費用，該研究結論為推焦裝置后續優化設計有借鑒意義。