推焦杆回程振动原因分析

向 瑾，孙桓五，孟 爽

（1.晋中学院机械学院，山西 晋中 030619；2.太原理工大学机械工程学院，山西 太原 030024）

1 引言

推焦杆是焦炉生产的重要部件，推焦杆为箱型结构，长27m，宽0.65m，高4.65m，重约40T，属于大型结构件，主要由推焦头、推焦杆杆身以及滑履组成，其三维模型，如图1 所示。

推焦杆在齿轮的驱动下，通过推焦头将焦炉内的焦炭从炭化室推出，焦炭被推出炭化室后，齿轮驱动推焦杆退出炭化室（以下简称为回程）。推焦杆回程三维模型，如图2 所示。

然而，推焦杆在回程中会发生严重的振动现象，严重影响了推焦设备整体稳定性及焦炉正常生产[1]，因此必须找到推焦杆振动原因。

文献[2]将推焦杆简化为简支梁对其进行静态变形分析，并对回程中推焦杆所受到的激励进行了分析，文献[3]分析了推焦杆回程中受力特点，认为受力会导致结构发生变形，从而导致齿轮齿条不能正常啮合引发振动。目前对推焦杆回程中振动问题的研究仅限于对推焦杆振动现象进行分析，缺乏理论依据。

考虑到焦炉生产的重要性以及推焦杆振动问题的复杂性，首先对推焦杆回程中的受力特点进行分析，并通过模态分析得到推焦杆固有频率，通过对振动信号的时频域分析，得到推焦杆振动频率及振动发生时间段，并结合推焦杆工作特点找到引发推焦杆振动的主要原因。

图1 推焦杆三维模型Fig.1 Three-Dimensional Model of Coke Pushing Rod

图2 推焦杆回程三维模型Fig.2 Three-Dimensional Modal of Return Process

2 推焦杆受力分析

为找到推焦杆振动原因，首先对推焦杆回程中的受力特点进行分析。

推焦杆回程受力分析，如图3 所示。图中：M—齿轮驱动力，齿轮驱动推焦杆推焦，推焦完成后，齿轮驱动推焦杆退出炭化室；f—滑履底部与炭化室地面接触导致推焦杆与炭化室地面间产生的摩擦力；N—滑履对推焦杆的支撑力，其中，N1、N3、N4、N5—支棍对推焦杆的支撑；N2—滑履退出炭化室前对推焦杆的支撑力。

图3 推焦杆受力分析Fig.3 Force Analysis of Coke Pushing Rod

图中：f—摩擦力；M—驱动力；N1，N2，N3，N4，N5—支撑力

3 模态分析

为找到推焦杆振动原因，通过模态分析得到了推焦杆的固有频率。推焦杆三维模型，如图1 所示。推焦杆为箱型结构件，材料参数如推焦杆有限元分析模型，如图4 所示。划分单元网格数为594753，网格划分质量合格。模态提取方法：PCG Lanczos，设置频率范围（0.01～1000）Hz，由于推焦杆的振动频率主要集中在（0～60）Hz 的低频段，如图5 所示。因此本节选取前20 阶固有频率进行分析，如表2 所示。

表1 推焦杆材料参数Tab.1 Material Parameters of Coke Pushing Rod

图4 推焦杆有限元分析模型Fig.4 Finite Element Analysis Model of Coke Pushing Rod

表2 推焦杆前20 阶固有频率Tab.2 First 20 Steps Natural Frequencies of Coke Pushing Rod

4 试验

4.1 试验设计

为找到推焦杆振动原因，拟在推焦杆工作现场采集推焦杆振动信号。然而，由于推焦杆需要进入高温炭化室推焦炭，推焦完成后，从高温炭化室退出，且生产现场非常复杂，因此试验过程中将振动传感器布置在前支辊支座两侧采集推焦杆回程振动信号，其依据在于：在无法直接测试的振动系统中，可以通过路径传递法采集故障所引起的振动冲击信号[4]，在试验中，为尽量避免振动信号在传递过程中造成的幅值的损失或频率成分的丢失，设计了最短传递路径：推焦杆-前支辊支座-振动传感器采集推焦杆振动信号。试验器材及背景，如表3、表4 所示。振动传感器测点，如图5 所示。

表3 试验器材Tab.3 Test Equipment

表4 试验背景Tab.4 Test Background

图5 振动传感器测点图Fig.5 Vibration Sensors Arrangement

4.2 推焦杆振动信号分析

4.2.1 短时傅立叶变换

短时傅立叶变换（STFT）的基本思想是用窗函数截取信号，假定信号在窗内是平稳的，采用傅立叶变换分析窗内的信号，以确定窗内的频率成分，然后沿着信号时间方向移动窗函数，得到频率随时间变化关系，即所需要的时频分布[5-6]。

4.2.2 推焦杆回程振动信号分析

鉴于推焦杆振动信号非平稳、非线性的特征，选用Hamming窗对振动信号进行短时Fourier 变换[7]。采样频率Fs=2048Hz，Nfft=20480，窗长=2048×1.5，频率分辨率 Δf=0.1[8-9]。根据推焦杆工作特点将回程分为两个阶段：（1）工作状态1：（0～25）s，滑履退出炭化室前；（2）工作状态2：（25～40）s，滑履退出炭化室后。X、Y、Z 三个方向振动时域信号，如图6 所示。根据图6，推焦杆X、Y、Z 三个方向振动时域信号可以发现，推焦杆振动主要发生在（0～25）s，即滑履退出炭化室前推焦杆振动较剧烈。通过短时傅立叶变换，X、Y、Z 三个方向时频分析结果，如图7 所示。

图6 推焦杆振动信号Fig.6 Vibration Signals of Coke Pushing Rod

图7 推焦杆振动信号时频图Fig.7 Time Frequency Diagram of Vibration Signals of Coke Pushing Rod

根据图7，分析如下：工作状态1：（0～25）s，滑履退出炭化室前。该阶段推焦杆振动明显。且X、Y、Z 三个方向振动主要集中在（30～60）Hz 的低频段。其中，X 方向振动频率主要为：35.9Hz、40.8Hz、43.1Hz、47.9Hz、50.2Hz。Y 方向振动频率主要为：43.9Hz、47.6Hz、51.8Hz、60.8Hz。Z 方向振动频率主要为：60.2Hz。工作状态2：（25～40）s，滑履退出炭化室后。推焦杆整体运行较平稳，但30s 和35s 时，在X、Y、Z 方向发生了轻微碰撞现象，与运行过程中约束较少有关。

推焦杆回程中，时域及时频分析表明推焦杆振动主要发生在滑履退出炭化室前，而滑履退出炭化室后整体运行平稳。滑履退出炭化室前，推焦杆X、Y、Z 三个方向振动频率分别与结构第14 阶、第15 阶、第16 阶、第17 阶、第18 阶、第19 阶固有频率极为接近，而与激励频率相差较远，且固有频率与激励频率也相差较远，说明推焦杆发生了自激振动[10]。此外，结合图2 及推焦杆回程受力分析，可以看出滑履退出炭化室前，滑履底部与炭化室地面接触产生摩擦力f，由于滑履底部与炭化室地面间静、动摩擦系数差值较大（静摩擦系数为0.8，动摩擦系数为0.65），导致摩擦力瞬间变化剧烈，而剧烈变化的摩擦力极易导致结构产生自激振动[11]，说明摩擦力是导致推焦杆产生自激振动的主要原因。

5 结论

通过对推焦杆回程振动信号时域及时频分析，可以得出如下结论：（1）推焦杆振动主要发生在滑履退出炭化室前，由于推焦杆振动频率与结构固有频率极为接近，而与激励频率相差较远，且固有频率与激励频率也相差较远，说明推焦杆发生了自激振动；（2）滑履退出炭化室前，滑履底部与炭化室地面接触产生摩擦力，由于静、动摩擦系数差值较大，导致摩擦力瞬间剧烈变化，而剧烈变化的摩擦力极易导致自激振动，说明摩擦力是导致推焦杆产生自激振动的主要原因；（3）滑履退出炭化室后，整体运行平稳，但30s 和35s 时，X、Y、Z 方向发生轻微碰撞现象，与运行过程中约束较少有关。