郭吉坦,張 軼,高順德

(1.大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,鋼鐵產(chǎn)量不斷增長(zhǎng),對(duì)于冶煉鋼鐵的燃料——焦炭的需求量日益增大[1],促進(jìn)了煉焦行業(yè)飛速發(fā)展,煉焦設(shè)備趨向大型化.搗固裝煤車(chē)是搗固煉焦行業(yè)最重要的設(shè)備之一[2-4],其主要功能是完成搗固和推煤作業(yè).搗固作業(yè)就是通過(guò)搗固機(jī)將粉碎的煤粉夯實(shí),制成一定密實(shí)度和規(guī)格尺寸的煤餅的工作過(guò)程,搗固裝煤車(chē)的側(cè)壁結(jié)構(gòu)與端部結(jié)構(gòu)圍合組成煤餅成型的煤槽.推煤作業(yè)則將制成的合格煤餅推送到炭化室內(nèi),進(jìn)行高溫?zé)捊棺鳂I(yè)[5].煉焦設(shè)備大型化后,煤餅尺寸加大,要求搗固錘質(zhì)量增加.另一方面,隨著對(duì)搗固載荷研究的深入,可實(shí)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)搗固裝煤車(chē)整體結(jié)構(gòu)輕量化.搗固錘沖擊對(duì)整車(chē)振動(dòng)會(huì)有怎樣的影響,需要深入研究.目前國(guó)內(nèi)對(duì)搗固煉焦設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有所研究,比如文獻(xiàn)[6]研究了搗固工況下?lián)v固裝煤車(chē)側(cè)壁壓力的分布規(guī)律,但對(duì)搗固裝煤車(chē)動(dòng)力振動(dòng)方面的研究還很少,國(guó)外資料也不多.

本文以某重型機(jī)械制造公司設(shè)計(jì)制造的5.5 m搗固裝煤車(chē)為對(duì)象,通過(guò)數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合,分析研究了搗固裝煤車(chē)在搗固作業(yè)過(guò)程中其側(cè)壁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng).主要:①利用ANSYS計(jì)算側(cè)壁結(jié)構(gòu)的模態(tài);②施加由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲取的載荷譜,對(duì)側(cè)壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析;③在側(cè)壁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)布置加速度傳感器,進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)實(shí)測(cè)并分析測(cè)試數(shù)據(jù).將理論分析與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較,其實(shí)測(cè)結(jié)論對(duì)搗固裝煤車(chē)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方面有一定的指導(dǎo)意義.

1 搗固裝煤車(chē)側(cè)壁結(jié)構(gòu)概況及其有限元模型

5.5 m搗固裝煤車(chē)為單體車(chē),車(chē)體自重約為400 t,成品煤餅質(zhì)量約45 t.側(cè)壁結(jié)構(gòu)位于搗固裝煤車(chē)主梁平面以上,包括側(cè)壁板與支撐桁架.側(cè)壁板由側(cè)壁面板與加強(qiáng)骨架焊接而成,高5.5 m,長(zhǎng)約16 m,側(cè)壁板加強(qiáng)骨架沿長(zhǎng)度方向(或稱(chēng)縱向)為槽鋼、沿高度方向(或稱(chēng)垂向)為工字鋼.支撐桁架由工字型鋼焊接組成鋼架,根部焊接于主梁結(jié)構(gòu)上,桁架高5.6 m,單側(cè)縱向布置10榀支撐桁架.側(cè)壁板與支撐桁架之間通過(guò)鉸耳和四連桿機(jī)構(gòu)相連,四連桿機(jī)構(gòu)布置在桁架各橫梁高度位置上,每榀桁架布置4層,結(jié)構(gòu)示意如圖1所示.搗固作業(yè)中,裝煤裝置連續(xù)向煤槽給煤,搗固機(jī)周期地提升、放松搗固錘,對(duì)煤粉進(jìn)行沖擊搗固.搗固裝煤車(chē)側(cè)壁結(jié)構(gòu)承受由煤餅傳遞過(guò)來(lái)的搗固錘沖擊載荷,側(cè)壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng),其振動(dòng)幅度是整車(chē)結(jié)構(gòu)中最大的.伴隨著沖擊與振動(dòng),搗固裝煤車(chē)在搗固作業(yè)中會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲,其振動(dòng)品質(zhì)對(duì)煤餅的質(zhì)量、工人的工作條件及周邊環(huán)境影響巨大.

搗固裝煤車(chē)煤槽兩側(cè)的側(cè)壁板與支撐桁架對(duì)稱(chēng)布置,在進(jìn)行有限元分析時(shí)只取一側(cè)進(jìn)行建模.側(cè)壁面板為平板承受橫向載荷,采用shell63單元模擬;側(cè)壁板加強(qiáng)骨架、連桿機(jī)構(gòu)及支撐桁架為型鋼構(gòu)件,采用beam188單元模擬.有限元模型共有7 562個(gè)節(jié)點(diǎn),15 570個(gè)單元,如圖1所示.

圖1 搗固裝煤車(chē)側(cè)壁結(jié)構(gòu)有限元及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Finite element model of the sidewall structure

2 側(cè)壁結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

搗固裝媒車(chē)側(cè)壁結(jié)構(gòu)是復(fù)雜連續(xù)振動(dòng)系統(tǒng),存在無(wú)限多階固有頻率及振型,但對(duì)結(jié)構(gòu)影響大的是低階頻率與振型.采用ANSYS模態(tài)分析中的分塊蘭索斯法(Block lanczo)對(duì)5.5 m搗固裝媒車(chē)側(cè)壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,提取前4階模態(tài)進(jìn)行較詳細(xì)分析.表1列出了模態(tài)頻率及振動(dòng)特征,圖2繪出了對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型圖.

第1階振型主要表現(xiàn)為側(cè)壁結(jié)構(gòu)上部繞側(cè)壁長(zhǎng)度方向扭轉(zhuǎn);第2階振型表現(xiàn)為側(cè)壁結(jié)構(gòu)上部的1階彎曲;第3階振型表現(xiàn)為側(cè)壁結(jié)構(gòu)上部的2階彎曲;第4階振型表現(xiàn)為側(cè)壁結(jié)構(gòu)上部的3階彎曲.從4階振型圖中可以看出側(cè)壁結(jié)構(gòu)端部及上部的撓度最大,這主要是因?yàn)橹舞旒芸傮w為懸臂結(jié)構(gòu),其根部固結(jié)而上部自由無(wú)約束.

表1 側(cè)壁結(jié)構(gòu)各階模態(tài)Tab.1 Model of the sidewall structure

3 側(cè)壁結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

為了研究5.5 m搗固裝煤車(chē)的振動(dòng)特性,獲得實(shí)際工作狀態(tài)下的振動(dòng)數(shù)據(jù),在整車(chē)不同部位布置加速度傳感器,進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試.由于壓電式加速度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、耐高溫、測(cè)量的頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、性能穩(wěn)定、輸出線(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)[7],所以選用壓電式加速度傳感器,采用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集記錄系統(tǒng),采集結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度響應(yīng)信號(hào).圖3為側(cè)壁骨架、支撐桁架上測(cè)點(diǎn)的布置示意圖,主要測(cè)試結(jié)構(gòu)的橫向(與煤槽軸線(xiàn)垂直方向)加速度,在側(cè)壁板端部及部分支撐桁架上分別測(cè)試了橫向和縱向(與煤槽軸線(xiàn)平行方向)2個(gè)方向上的振動(dòng).

圖2 側(cè)壁結(jié)構(gòu)模態(tài)振型Fig.2 First four vibrant shapes of the sidewall structure

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中共有26個(gè)測(cè)點(diǎn)位置,選取部分有代表性測(cè)點(diǎn),將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較,測(cè)點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)圖3.

3.2.1 時(shí)域分析

3.2.1.1 側(cè)壁板

圖3 側(cè)壁結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)測(cè)試布點(diǎn)圖Fig.3 Test points arrangement of the sidewall structure acceleration response

圖4為側(cè)壁板加強(qiáng)骨架上處于同一水平高度的中部位置(B1點(diǎn))和端部位置(B3點(diǎn))橫向加速度的實(shí)時(shí)曲線(xiàn).由圖4可以看出,側(cè)壁板的振幅最大值在零線(xiàn)上下幾乎相等,說(shuō)明側(cè)壁板的振動(dòng)是關(guān)于其平衡位置兩側(cè)對(duì)稱(chēng)擺動(dòng);振動(dòng)呈周期性變化,側(cè)壁板中部位置(B1點(diǎn))振動(dòng)峰值基本相同,峰值的時(shí)差為0.283 s(見(jiàn)圖4a);側(cè)壁板端部位置(B3點(diǎn))振動(dòng)峰值呈現(xiàn)1大2次大規(guī)律,兩個(gè)大峰間的時(shí)差為0.85 s,與次峰值間的時(shí)差為0.283 s(見(jiàn)圖4b).

側(cè)壁結(jié)構(gòu)振動(dòng)峰值周期與搗固錘的布置及循環(huán)周期有關(guān).每個(gè)搗固機(jī)安裝3個(gè)搗固錘,錘間相位角為120°,交替升降,單錘循環(huán)周期為0.85 s,兩錘落錘時(shí)差為單錘循環(huán)周期的1/3,即0.283 s,與側(cè)壁結(jié)構(gòu)振動(dòng)出現(xiàn)峰值周期吻合.圖4a說(shuō)明在中間部位正對(duì)測(cè)點(diǎn)位置的搗固錘及相鄰兩個(gè)錘沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)幅值接近,但端部位置搗固錘布置在測(cè)點(diǎn)的一側(cè),遠(yuǎn)錘產(chǎn)生振動(dòng)幅值相對(duì)小,超過(guò)一榀支撐桁架的搗固錘沖擊影響可以不考慮,故側(cè)壁板端部振動(dòng)峰值呈現(xiàn)1大2次大規(guī)律.

B1點(diǎn)的峰值為5 m?s-2,B3點(diǎn)振動(dòng)大峰值為13 m?s-2,次峰值為5.5 m?s-2,說(shuō)明側(cè)壁板端部的振動(dòng)比中部更劇烈,振幅差異與支撐狀態(tài)有關(guān),側(cè)壁板中部處于桁架完全支撐狀態(tài),而其端部在支撐桁架支撐點(diǎn)之外還有一定外伸長(zhǎng)度,屬于外伸形式,振幅要大些.

圖4 側(cè)壁板橫向加速度實(shí)時(shí)曲線(xiàn)Fig.4 Time-varing acceleration at Sidewall plate

3.2.1.2 支撐桁架

為了研究振動(dòng)幅值與高度的關(guān)系,將第5榀支撐桁架上的3個(gè)不同高度測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)進(jìn)行比較.圖5為A1,A2,A3點(diǎn)(即第1,3,4層支撐鉸耳高度處支撐桁架橫梁上的測(cè)點(diǎn)),一次落錘沖擊時(shí)的加速度實(shí)測(cè)曲線(xiàn),可見(jiàn)在同一錘位截面上,結(jié)構(gòu)頻率相同,振動(dòng)峰值幾乎同步,但振動(dòng)幅值隨高度增加而加大.

3.2.2 頻域分析

將側(cè)壁結(jié)構(gòu)端部位置、側(cè)壁結(jié)構(gòu)中部位置采集的加速度振動(dòng)時(shí)域信號(hào),進(jìn)行快速傅里葉變換[8,9],得到側(cè)壁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)頻譜曲線(xiàn).圖6為第1榀支撐桁架中第4層(A5點(diǎn))、第3層(A4點(diǎn))橫梁的垂直側(cè)壁板方向振動(dòng)響應(yīng)頻譜曲線(xiàn);圖7為第5榀支撐桁架中第4層(A3點(diǎn))、第3層(A2點(diǎn))橫梁的垂直側(cè)壁板方向振動(dòng)響應(yīng)頻譜曲線(xiàn).

表2列出響應(yīng)頻率與響應(yīng)值.圖6、圖7及表2可以得出側(cè)壁結(jié)構(gòu)中部與端部只有第1階響應(yīng)頻率相同,而后4階的振動(dòng)響應(yīng)頻率不同,側(cè)壁結(jié)構(gòu)高度越高振幅越大.

圖5 第5榀支撐桁架加速度實(shí)時(shí)曲線(xiàn)Fig.5 Time-varing acceleration at fifth girder

圖6 第1榀桁架響應(yīng)頻域曲線(xiàn)Fig.6 Frequency domain acceleration at first girder

圖7 第5榀桁架響應(yīng)頻域曲線(xiàn)Fig.7 Frequency domain acceleration at fifth girder

表2 側(cè)壁結(jié)構(gòu)響應(yīng)頻率Tab.2 Response frequency of the sidewall structure

4 有限元分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果比較

將文獻(xiàn)[6]對(duì)5.5 m搗固裝煤車(chē)在搗固工況下獲得的側(cè)壁載荷時(shí)域曲線(xiàn),施加到該車(chē)側(cè)壁結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析模型上,利用ANSYS的瞬態(tài)分析模塊對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)分析.

圖8a是側(cè)壁板上中間部位B1測(cè)點(diǎn)有限元分析的響應(yīng)曲線(xiàn),圖8b是該點(diǎn)的實(shí)測(cè)時(shí)域曲線(xiàn),圖8c是將有限元獲得的響應(yīng)曲線(xiàn)與試驗(yàn)實(shí)測(cè)曲線(xiàn)的疊加比較.可以看出有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.

圖8 B1測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)有限元計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Fig.8 Acceleration response of theory and experiment comparisons at B1

5 結(jié)論

為了研究搗固裝煤車(chē)側(cè)壁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得搗固裝煤車(chē)側(cè)壁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù);分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),得出側(cè)壁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)規(guī)律;對(duì)有限元模型施加現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)測(cè)得的側(cè)壁時(shí)域載荷進(jìn)行瞬態(tài)分析.結(jié)果表明:有限元分析獲得的側(cè)壁結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)吻合較好,說(shuō)明有限元模型的建立和分析過(guò)程合理,可為以后的搗固裝煤車(chē)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提供參考.

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