推焦作業過程中推焦裝置的振動特性研究

陳俊君，孫桓五

（1.太原理工大學 機械與運載工程學院，太原030024；2.山西大學 自動化系，太原030013；3.太原理工大學 煤炭資源開采利用與裝備工程國家級實驗教學示范中心，太原030024）

大型焦爐成套設備是煉焦行業中廣泛應用的一種機械裝置，主要由裝煤車、推焦車、攔焦車和熄焦車4大設備組成。國內某重工股份有限公司生產的6.25 m搗固焦爐設備是目前市場占有率較高的焦爐成套設備[1]，其炭化室長為17 m，寬為0.53 m，高為6.25 m，每孔裝煤量大約為45.6 t，產焦量約為38 t。推焦車作為焦爐成套設備中重要的執行裝置，其主要作用是把煉制的焦炭推出炭化室使其落入熄焦車[2]。推焦車的執行機構為推焦裝置，通過對企業生產過程的實地觀測，發現推焦裝置在推焦作業過程中存在明顯振動現象。該振動一方面會造成焦爐內耐火磚松動、移位和斷裂、燃燒室和炭化室之間的串漏[3]；另一方面也會造成推焦裝置中相互接觸的部件之間產生磨損和表面損傷，從而降低設備的可靠性和減少設備壽命。鑒于此，本文通過有限元分析方法對實際工況下推焦裝置的振動特性進行研究，并提取推焦裝置發生振動的頻率以及對應的振型，研究結果對于改進推焦裝置的設計以及減輕推焦裝置的振動都有一定的參考價值。

1 推焦裝置結構及工作原理

推焦裝置是將炭化室內的紅焦推出炭化室的具體執行機構，其主要結構包括推焦桿、齒輪齒條傳動機構、滑履和推焦頭。推焦裝置的具體結構如圖1所示。其中，推焦桿是推焦裝置的核心構件，所研究的6.25 m 搗固焦爐設備中推焦桿的重量約為40 t，長為27 m，寬為0.34 m，高為1.05 m。推焦桿由支棍支承，其結構為箱型結構，推焦桿和推焦頭通過焊接組合成一體。推焦桿在靠近推焦頭的下端面安裝滑履機構，在整個上端面安裝齒輪齒條傳動機構。在推焦桿進入炭化室前滑履機構所處的懸空狀態為非工作狀態；在推焦桿進入炭化室后其開始工作，對推焦桿起到支承作用，此時滑履與炭化室爐底的耐火磚相接觸，運動形式是一種典型的滑動摩擦。工作過程中電動機通過減速機構驅動齒輪齒條進行嚙合傳動，從而實現推焦桿的前進和后退。

圖1 推焦裝置結構示意圖

2 實際工作狀態下推焦裝置振動特性的分析

在實際工作狀態下，推焦裝置要進入炭化室中將成熟的焦炭從炭化室中推出并經過導焦槽準確地落到熄焦車上。而炭化室中的溫度高達1 000°C左右，為了真實地反應推焦裝置實際的工作環境，采用ANSYS 有限元軟件分析推焦裝置的瞬態溫度場分布情況，在此基礎上對推焦裝置進行模態分析和諧響應分析，力求使仿真結果可為推焦裝置的設計、改進及故障診斷提供一定的理論依據。材料參數設置如表1所示，在仿真分析中，模型采用四面體網格進行劃分，網格單元數為137 755，節點數為260 747，環境溫度設置為22°C，推焦桿頭部與焦炭接觸的表面溫度設置為1 000°C，經現場測試發現推焦桿進入炭化室將焦炭推出到熄焦車的時間大約為40 s，故在瞬態熱分析中將仿真結束時間設為40 s。

2.1 推焦裝置溫度場分析

2.1.1 瞬態熱分析理論

對于推焦裝置來說，其表面傳熱方式主要為對流傳熱，在裝置內部則以熱傳導為主，采用熱能守恒定律可以獲得固體熱傳導微分方程[4]。設定邊界條件，并對固體熱傳導微分方程進行泛函變分，就可以獲得用于確定n個節點溫度的求解方程[5]為

其中，矩陣C為比熱矩陣；K為熱傳導矩陣；P為節點熱流率向量；Tt為節點溫度向量，其1 階導數為溫度對時間的導數。在t時刻采用向后差分法獲得的有限元方程離散形式為

式中：ο代表無窮小量，將式(2)代入式(1)可求得瞬態溫度場的有限元方程為

其中：Δt為時間步長；Tt-Δt為前一時刻的溫度場或者初始溫度場；把Tt-Δt代入式(3)可求取t時刻的溫度場Tt，再由Tt求取后一時刻的溫度場Tt+Δt，以此類推就可以獲得結構體在后續每一時刻的溫度場。

2.1.2 推焦裝置瞬態溫度場分析

推焦裝置仿真分析的瞬態溫度變化圖如圖2所示。

當推焦裝置工作時間為10秒時，推焦頭的溫度為263.21°C，其尾部溫度為21.917°C，隨著推焦裝置在炭化室中工作時間的增加，推焦頭的溫度逐步升高，在20 s、30 s和40 s的時刻溫度分別為506.22°C、747.87°C和990.45°C；而推焦裝置尾部的溫度基本穩定在室溫，在20 s、30 s 和40 s 的時刻溫度分別為21.726°C、21.461°C和21.143°C。這表明推焦裝置在實際工作過程中，溫度場在桿身的分布處于動態變化之中，為了確保仿真分析的準確性，在后續的有限元分析中均考慮溫度分布對推焦裝置的影響，選取推焦裝置在40 s時的狀態進行研究。

表1 推焦裝置材料設置

圖2 推焦裝置瞬態溫度變化圖

2.2 模態分析

2.2.1 模態分析理論

模態是機械結構的固有振動特征，不受外力的影響，只與機械結構本身和所構成的材料有關。在瞬態溫度場下，忽略系統阻尼的系統自由振動方程為

其中：K為考慮熱效應情況下結構體的剛度矩陣；M為質量矩陣；φ為n階模態矩陣；ω是與矩陣φ對應的系統固有頻率。

假設溫度變化不會影響結構體的密度，即質量矩陣M不受溫度的影響，則溫度的變化通過引起剛度矩陣K發生變化從而導致結構體的固有頻率和振型發生變化。一方面，受到熱環境的影響，結構體的彈性模量會發生變化，據此得到的剛度矩陣Kc值為

另一方面，由于溫度的變化結構體各個部分會產生收縮或膨脹，進而使得結構體內部產生應力，導致初始剛度發生變化，由此可得初應力的剛度矩陣為

由此可知，熱環境影響下結構體的剛度矩陣為

其中：Ω為求解域；B為幾何矩陣；DT為彈性矩陣，與泊松比μ和彈性模量E有關；G為形函數矩陣；?為應力矩陣。

2.2.2 推焦裝置模態分析

模態分析的目的在于確定結構的振動特性。在2.1.2小節中對推焦裝置進行瞬態溫度場分析的基礎上，對推焦裝置實際工作中與前兩個支棍相接觸的表面施加約束，求解推焦裝置的模態特性。從現場測試來看，推焦裝置的振動形式為低頻振動，故求取了推焦桿前20 階模態頻率及振型圖，推焦裝置9～14階的模態振型如圖3所示。

圖3 推焦裝置9～14階的模態

從圖3的振型結果中，可以發現推焦裝置低階模態中變形較大的部位主要集中在3 個區域，分別為推焦桿桿身，推焦頭和滑履。這表明，推焦裝置在工作過程中，推焦桿桿身、推焦頭和滑履有可能發生比較大的振動變形，影響整個推焦過程的穩定性和可靠性。但是僅通過模態分析還無法揭示推焦裝置實際工作中的振動狀態，為此接下來將現場試驗獲取的推焦摩擦阻力引入到推焦裝置的諧響應分析中，以提取出推焦裝置的振動頻率。

2.3 推焦裝置振動頻率提取

2.3.1 諧響應分析理論

諧響應分析可以用于確定結構體的持續動力性能，是一種常用的結構動力學分析方法[6-7]。由振動學相關知識可知結構體的運動微分方程可表示為

其中：M、C、K分別表示結構體的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；X表示位移向量表示速度向量；X¨表示加速度向量；F表示結構體所受的外加載荷向量。在諧響應分析中，力載荷表達式為

各節點的位移響應為

其中：A表示位移幅值向量；φ表示位移響應滯后于激勵載荷的相位角。將式(10)代入式(9)可求得

無法求得式(11)解析解，可利用有限元法進行求解，計算出相應的位移、加速度、應力及應變與振動頻率之間的響應曲線。

2.3.2 振動頻率提取

振動諧響應分析可用于確定機械設備的持續動力學性能，根據推焦裝置實際工作時的受力情況可知，推焦頭前端面與焦炭直接接觸，在推焦過程中，推焦裝置主要需要克服焦炭對其產生的摩擦阻力，根據現場試驗，推焦摩擦阻力的數值取為1.6×105N。通過諧響應分析，可獲得位移、加速度、應力及應變與振動頻率之間的關系。為了分析結果的全面性，限于篇幅，文中分別提取推焦桿尾部端面、推焦頭側面和滑履底面在x、y、z3個方向的加速度和頻率之間的響應曲線進行分析，3個方向的加速度和振動頻率的響應曲線分別如圖4、圖5、圖6所示。

從中可發現推焦桿、推焦頭和滑履在x、y、z3個方向都發生了頻率為51 Hz的低頻振動，推焦頭和滑履在z方向上出現了頻率為22 Hz的振動信號，同時滑履在x方向還出現了頻率為92 Hz 的振動信號。對比圖3的分析結果可知，推焦裝置整體的振動形式與模態分析中的第14階模態相同，即推焦裝置在xoz平面內發生較大的彎曲振動，且推焦桿尾部振動最為劇烈，對于局部部件推焦頭，除了隨整個推焦裝置發生振動外，還可能出現22 Hz的低頻振動，對于滑履來說，除了隨整個推焦裝置發生振動外，還可能出現頻率為22 Hz和92 Hz的振動。

圖4 推焦桿x、y、z 3個方向的加速度與頻率之間的響應曲線

圖5 推焦頭x、y、z 3個方向的加速度與頻率之間的響應曲線

圖6 滑履x、y、z 3個方向的加速度與頻率之間的響應曲線

3 結語

(1)在推焦裝置作業過程中推焦頭會接觸到1 000°C高溫的紅焦，為了真實模擬實際推焦工況，在對推焦裝置進行振動特性分析前首先對推焦裝置進行了瞬態溫度場分析，發現在推焦作業過程中，推焦頭的溫度最高，推焦桿尾部溫度最低，整個推焦裝置的溫度場處于動態變化之中。

(2)對推焦裝置進行模態分析，發現變形較大的部位主要集中在3個區域，分別為推焦桿桿身、推焦頭和滑履。這表明，推焦裝置在工作過程中，推焦桿桿身，推焦頭和滑履有可能發生比較大的振動變形，影響整個推焦過程的穩定性和可靠性。

(3)通過對推焦裝置進行諧響應分析，分別提取了推焦桿、推焦頭和滑履在行進方向、豎直方向和橫向3 個方向的加速度和頻率之間的響應曲線，從中可以發現推焦裝置在3個方向上都發生了頻率為51 Hz 的低頻振動，對比模態分析結果，可知推焦裝置發生的振動形式與模態分析中的第14階模態相同，即推焦裝置在xoz平面內發生較大的彎曲振動，且推焦桿尾部振動最為劇烈。