向 瑾，孫桓五，孟 爽

（1.晉中學院機械學院，山西 晉中 030619；2.太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024）

1 引言

推焦桿是焦爐生產(chǎn)的重要部件，推焦桿為箱型結(jié)構(gòu)，長27m，寬0.65m，高4.65m，重約40T，屬于大型結(jié)構(gòu)件，主要由推焦頭、推焦桿桿身以及滑履組成，其三維模型，如圖1 所示。

推焦桿在齒輪的驅(qū)動下，通過推焦頭將焦爐內(nèi)的焦炭從炭化室推出，焦炭被推出炭化室后，齒輪驅(qū)動推焦桿退出炭化室（以下簡稱為回程）。推焦桿回程三維模型，如圖2 所示。

然而，推焦桿在回程中會發(fā)生嚴重的振動現(xiàn)象，嚴重影響了推焦設(shè)備整體穩(wěn)定性及焦爐正常生產(chǎn)[1]，因此必須找到推焦桿振動原因。

文獻[2]將推焦桿簡化為簡支梁對其進行靜態(tài)變形分析，并對回程中推焦桿所受到的激勵進行了分析，文獻[3]分析了推焦桿回程中受力特點，認為受力會導致結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，從而導致齒輪齒條不能正常嚙合引發(fā)振動。目前對推焦桿回程中振動問題的研究僅限于對推焦桿振動現(xiàn)象進行分析，缺乏理論依據(jù)。

考慮到焦爐生產(chǎn)的重要性以及推焦桿振動問題的復雜性，首先對推焦桿回程中的受力特點進行分析，并通過模態(tài)分析得到推焦桿固有頻率，通過對振動信號的時頻域分析，得到推焦桿振動頻率及振動發(fā)生時間段，并結(jié)合推焦桿工作特點找到引發(fā)推焦桿振動的主要原因。

圖1 推焦桿三維模型Fig.1 Three-Dimensional Model of Coke Pushing Rod

圖2 推焦桿回程三維模型Fig.2 Three-Dimensional Modal of Return Process

2 推焦桿受力分析

為找到推焦桿振動原因，首先對推焦桿回程中的受力特點進行分析。

推焦桿回程受力分析，如圖3 所示。圖中：M—齒輪驅(qū)動力，齒輪驅(qū)動推焦桿推焦，推焦完成后，齒輪驅(qū)動推焦桿退出炭化室；f—滑履底部與炭化室地面接觸導致推焦桿與炭化室地面間產(chǎn)生的摩擦力；N—滑履對推焦桿的支撐力，其中，N1、N3、N4、N5—支棍對推焦桿的支撐；N2—滑履退出炭化室前對推焦桿的支撐力。

圖3 推焦桿受力分析Fig.3 Force Analysis of Coke Pushing Rod

圖中：f—摩擦力；M—驅(qū)動力；N1，N2，N3，N4，N5—支撐力

3 模態(tài)分析

為找到推焦桿振動原因，通過模態(tài)分析得到了推焦桿的固有頻率。推焦桿三維模型，如圖1 所示。推焦桿為箱型結(jié)構(gòu)件，材料參數(shù)如推焦桿有限元分析模型，如圖4 所示。劃分單元網(wǎng)格數(shù)為594753，網(wǎng)格劃分質(zhì)量合格。模態(tài)提取方法：PCG Lanczos，設(shè)置頻率范圍（0.01～1000）Hz，由于推焦桿的振動頻率主要集中在（0～60）Hz 的低頻段，如圖5 所示。因此本節(jié)選取前20 階固有頻率進行分析，如表2 所示。

表1 推焦桿材料參數(shù)Tab.1 Material Parameters of Coke Pushing Rod

圖4 推焦桿有限元分析模型Fig.4 Finite Element Analysis Model of Coke Pushing Rod

表2 推焦桿前20 階固有頻率Tab.2 First 20 Steps Natural Frequencies of Coke Pushing Rod

4 試驗

4.1 試驗設(shè)計

為找到推焦桿振動原因，擬在推焦桿工作現(xiàn)場采集推焦桿振動信號。然而，由于推焦桿需要進入高溫炭化室推焦炭，推焦完成后，從高溫炭化室退出，且生產(chǎn)現(xiàn)場非常復雜，因此試驗過程中將振動傳感器布置在前支輥支座兩側(cè)采集推焦桿回程振動信號，其依據(jù)在于：在無法直接測試的振動系統(tǒng)中，可以通過路徑傳遞法采集故障所引起的振動沖擊信號[4]，在試驗中，為盡量避免振動信號在傳遞過程中造成的幅值的損失或頻率成分的丟失，設(shè)計了最短傳遞路徑：推焦桿-前支輥支座-振動傳感器采集推焦桿振動信號。試驗器材及背景，如表3、表4 所示。振動傳感器測點，如圖5 所示。

表3 試驗器材Tab.3 Test Equipment

表4 試驗背景Tab.4 Test Background

圖5 振動傳感器測點圖Fig.5 Vibration Sensors Arrangement

4.2 推焦桿振動信號分析

4.2.1 短時傅立葉變換

短時傅立葉變換（STFT）的基本思想是用窗函數(shù)截取信號，假定信號在窗內(nèi)是平穩(wěn)的，采用傅立葉變換分析窗內(nèi)的信號，以確定窗內(nèi)的頻率成分，然后沿著信號時間方向移動窗函數(shù)，得到頻率隨時間變化關(guān)系，即所需要的時頻分布[5-6]。

4.2.2 推焦桿回程振動信號分析

鑒于推焦桿振動信號非平穩(wěn)、非線性的特征，選用Hamming窗對振動信號進行短時Fourier 變換[7]。采樣頻率Fs=2048Hz，Nfft=20480，窗長=2048×1.5，頻率分辨率 Δf=0.1[8-9]。根據(jù)推焦桿工作特點將回程分為兩個階段：（1）工作狀態(tài)1：（0～25）s，滑履退出炭化室前；（2）工作狀態(tài)2：（25～40）s，滑履退出炭化室后。X、Y、Z 三個方向振動時域信號，如圖6 所示。根據(jù)圖6，推焦桿X、Y、Z 三個方向振動時域信號可以發(fā)現(xiàn)，推焦桿振動主要發(fā)生在（0～25）s，即滑履退出炭化室前推焦桿振動較劇烈。通過短時傅立葉變換，X、Y、Z 三個方向時頻分析結(jié)果，如圖7 所示。

圖6 推焦桿振動信號Fig.6 Vibration Signals of Coke Pushing Rod

圖7 推焦桿振動信號時頻圖Fig.7 Time Frequency Diagram of Vibration Signals of Coke Pushing Rod

根據(jù)圖7，分析如下：工作狀態(tài)1：（0～25）s，滑履退出炭化室前。該階段推焦桿振動明顯。且X、Y、Z 三個方向振動主要集中在（30～60）Hz 的低頻段。其中，X 方向振動頻率主要為：35.9Hz、40.8Hz、43.1Hz、47.9Hz、50.2Hz。Y 方向振動頻率主要為：43.9Hz、47.6Hz、51.8Hz、60.8Hz。Z 方向振動頻率主要為：60.2Hz。工作狀態(tài)2：（25～40）s，滑履退出炭化室后。推焦桿整體運行較平穩(wěn)，但30s 和35s 時，在X、Y、Z 方向發(fā)生了輕微碰撞現(xiàn)象，與運行過程中約束較少有關(guān)。

推焦桿回程中，時域及時頻分析表明推焦桿振動主要發(fā)生在滑履退出炭化室前，而滑履退出炭化室后整體運行平穩(wěn)。滑履退出炭化室前，推焦桿X、Y、Z 三個方向振動頻率分別與結(jié)構(gòu)第14 階、第15 階、第16 階、第17 階、第18 階、第19 階固有頻率極為接近，而與激勵頻率相差較遠，且固有頻率與激勵頻率也相差較遠，說明推焦桿發(fā)生了自激振動[10]。此外，結(jié)合圖2 及推焦桿回程受力分析，可以看出滑履退出炭化室前，滑履底部與炭化室地面接觸產(chǎn)生摩擦力f，由于滑履底部與炭化室地面間靜、動摩擦系數(shù)差值較大（靜摩擦系數(shù)為0.8，動摩擦系數(shù)為0.65），導致摩擦力瞬間變化劇烈，而劇烈變化的摩擦力極易導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自激振動[11]，說明摩擦力是導致推焦桿產(chǎn)生自激振動的主要原因。

5 結(jié)論

通過對推焦桿回程振動信號時域及時頻分析，可以得出如下結(jié)論：（1）推焦桿振動主要發(fā)生在滑履退出炭化室前，由于推焦桿振動頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率極為接近，而與激勵頻率相差較遠，且固有頻率與激勵頻率也相差較遠，說明推焦桿發(fā)生了自激振動；（2）滑履退出炭化室前，滑履底部與炭化室地面接觸產(chǎn)生摩擦力，由于靜、動摩擦系數(shù)差值較大，導致摩擦力瞬間劇烈變化，而劇烈變化的摩擦力極易導致自激振動，說明摩擦力是導致推焦桿產(chǎn)生自激振動的主要原因；（3）滑履退出炭化室后，整體運行平穩(wěn)，但30s 和35s 時，X、Y、Z 方向發(fā)生輕微碰撞現(xiàn)象，與運行過程中約束較少有關(guān)。