推焦速度对推焦装置振动特性影响分析

孟 爽，向 瑾，陈 创

（太原理工大学 机械工程学院,太原030024）

太原某公司设计生产的6.25米捣固焦炉成套设备已经销往各地焦化厂并投入使用。炉成套设备主要包括四大车，四大车各自承担着不同的工作任务，其中推焦车作为推焦装置,主要负责将焦炉烧制好的焦炭推出炭化室，推焦杆是其主要工作部件。在实际运行过程中，推焦杆易于发生较大幅度振动，影响焦炭产量，甚至破坏焦炉，并且由于不同操作人员操作推焦车采取的推焦速度不同，造成推焦装置振动程度明显不同。因此研究推焦速度对推焦装置振动特性的影响很有必要。

推焦装置是一种将成熟焦炭推出炉体的设备，由推焦杆、支撑轴座及齿轮等部件组成，其核心部件是推焦杆。文献[1]通过计算得到了推程中杆所受阻力曲线，并采用理论计算方法得出推焦装置在外界阻力作用下的振动响应，为实现装置减振设计提供了一定依据。通过现场采集推焦装置振动加速度、噪声、电机电流等参数信号，文献[2]、文献[3]对采集信号进行时频处理后得出推焦装置振动主要是由于滑靴和炭化室地面之间存在干摩擦引起自激振动造成。文献[4]采用虚拟样机技术与实验测试相结合的方法探究了推焦装置振动机理，得出装置振动是由多因素耦合造成。文献[5]通过数值仿真计算以及现场实验研究，验证了影响推焦杆振动的因素包括动静摩擦系数差值、刚度及阻尼，并给出了相应的减振措施。当前对推焦装置的研究多集中于确定装置振动原因，理论分析装置振动特点，而忽略了人为因素，未提出有效减振措施。

在机械系统中，一些低刚度部件受外力作用易发生变形。在实际工程动力学分析时，如果不考虑由于变形造成的影响，最终可能得出错误结论。文献[6]应用多软件联合仿真建立了自动倾斜器刚柔耦合模型，仿真后处理表明该模型比纯刚性模型更能反映自动倾斜器的运动特性。文献[7]创建了自卸汽车整车刚柔耦合模型，仿真后与对应的纯刚性模型仿真结果进行对比，发现柔性体模型获得的作用力更小一些，为机构优化设计提供了依据。目前还没有研究将刚柔耦合多体系统仿真这种方法应用于推焦装置，因此本文应用ANSYS和ADAMS创建机械系统刚柔耦合模型，开展软件联合仿真，刚柔耦合系统相比纯刚体系统可以更准确的描述系统运动状况。

本文以6.25 米捣固型焦炉推焦设备为研究对象，利用通过和准软件联合仿真创建了推焦装置刚柔耦合模型，模型经验证正确后进行动力学仿真分析，模拟实际推焦过程，着重研究了推焦速度对推焦装置振动特性的影响。

1 刚柔耦合分析基本理论

ADAMS 采用笛卡尔方法对刚柔耦合系统进行数学建模，模型考虑了构件弹性变形对系统运动的影响，比较准确地反映了机械系统的运动状况。

1.1 柔性体建模

考虑到部件发生的弹性变形对部件整体运动产生的作用，人们开始采用混合坐标来描述变形体的坐标系的位置，即混合坐标建模。该方法首先对易变形体建立浮动坐标系，该体内各点的相对位置一直发生变动，需要依靠动坐标和弹性坐标共同得到易变形体在惯性参考系中的位置。柔性体内部存在应变，各点相对坐标位置不是固定不变的，因此动坐标系选用的是随着柔性体变形而不断变动的坐标系，即“浮动坐标系”如图1所示[8]。

混合坐标法结合刚体坐标和模态坐标生成系统的动力学模型，是目前经常采用的一种刚柔耦合系统创建模型的方法[9]。

图1 柔性体上节点P位置坐标

1.2 柔性体运动微分方程

方程中Ψ为约束方程；λ是对应Ψ的拉氏乘子；Q为投影到ξ上的广义力；L是拉格朗日项，L=T-W，T为动能，W为势能；Γ表示能量损耗函数。

将柔性体的T，W，Γ代入上式，求解得柔性体运动微分方程

其中：ξ为柔性体的广义坐标；Μ为质量矩阵；为Μ对柔性体广义坐标的偏导数。

2 仿真模型建立与验证

应用UG创建推焦装置三维模型，图2为精确装配后的模型图隐藏了对称结构部件传动支座的前半部份。将模型简化处理后导入ADAMS，为各构件赋予对应材料属性，按照实际情况添加约束。

图2 推焦装置结构简图

对添加约束后的模型进行校验，结果显示模型没有出现冗余约束，自由度不为0，因此模型可以用于仿真分析计算[10]。

滑靴下部与上部之间依靠旋转副约束，当推焦杆进入炉体后不久，滑靴下部与炉体底部接触，推焦装置受到的支撑力主要由滑靴下部以及靠近炭化室一侧的支撑辊提供，随着推焦杆伸入炭化室内部，滑靴下部对推焦杆的支撑作用加强，受力增加，因此滑靴下部会产生难以忽略的变形。应用ANSYS 软件生成滑靴下部的模态中性文件，该文件包含了滑靴下部的频率以及载荷的参与因子等信息[11]。将该柔性体替换ADAMS中对应的滑靴下部，图3为创建的推焦装置刚柔耦合模型。

图3 推焦装置刚柔耦合模型

在ANSYS中对滑靴下部展开自由模态分析，得到其固有频率，并对比应用ADAMS FLEX工具查看的模态中性文件频率，结果如表1所示。

表1 ANSYS与ADAMS环境中滑靴下部固有频率对比表

从表1可以看出ANSYS 与ADAMS 环境中滑靴下部固有频率误差范围在0.000 3%～0.486 1%内，误差很小，表明软件之间联合仿真的数据交换基本实现无缝对接，建立的刚柔耦合模型可以较好反映推焦装置实际运动特性。

3 动力学仿真分析

3.1 添加驱动

推焦装置主要依靠步进电机通过减速器驱动推杆上部的齿轮带动杆上齿条，使杆前后运动，整体装置结构如图4所示。

在非超载情况下，步进电机的转速只取决于驱动频率，而不受其它因素影响，由公式(3)可以计算得出实际驱动速度，再根据公式(4)计算得出传动齿轮角速度，作为仿真驱动速度。

根据对推焦现场的实际观察，整理记录推焦过程中推焦车操作室的操作数据，确定在推焦时执行的推焦速度范围大概在0.25 m/s～0.45 m/s之间。

图4 推焦装置整体结构图

3.2 动力学仿真

不同操作人员在推程中采取的推动速度不同，造成推程中竖直方向上推焦装置振动剧烈程度差异较大。为研究推焦速度对推焦装置振动特性的影响，保持其它参量相同，以推焦速度为变量对推焦装置推程进行动力学仿真，设置仿真步长为0.001 s，推程位移为18 m。仿真得到的不同推焦速度下推焦杆竖直Z方向加速度曲线图如图5所示。

从曲线图中可以看出，装置初始运行时，由于速度发生突变，推焦杆瞬间Z向加速度很大，装置运行平稳后加速度恢复正常状态，后续加速度出现突变主要是由于推焦杆所受支撑发生变化引起的，如支撑方式发生变化、起支撑作用的支撑辊数量减少等都会造成加速度剧烈变化。仅依靠曲线图难以得出更多有效信息，因此继续对仿真结果进行数值对比分析。RMS也就是有效值，当有效值的物理参数是加速度时，可以用于判别机械系统振动的剧烈程度。表2为对仿真得到的竖直加速度曲线数值处理所得到的结果。

表2 数值对比结果

分析表格可以看出，当推焦装置其余参量保持不变时，推程中随着推焦速度增加，推焦杆竖直方向加速度有效值逐渐变大，即当推焦速度减小时，推焦杆主要方向（竖直方向）的振动呈现减弱的变化规律。

图5 不同推焦速度推焦杆Z向加速度曲线图

4 结语

针对焦炭生产过程中，不同操作人员采取不同推焦速度进行推焦造成推焦装置振动剧烈程度不同的现状，本文以大型焦炉推焦装置为研究对象，应用多软件联合仿真的方法创建了推焦装置刚柔耦合模型，通过动力学仿真研究了不同推焦速度对推焦装置振动特性的影响。结果表明：随着推焦速度的减小，推焦杆竖直方向上振动逐渐减弱。在满足焦炭产量要求条件下，可以通过适当减小推焦速度达到装置减振的目的。利用刚柔耦合模型仿真分析研究的方法，能够更加准确反应推焦装置的实际运动特性，同时大大缩短了装置减振的研究周期，节省研究费用，该研究结论为推焦装置后续优化设计有借鉴意义。