推焦裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ蛣?dòng)力學(xué)仿真分析

孟 爽，孫桓五，向 瑾

（太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 引言

太原某機(jī)械公司生產(chǎn)的6.25m 搗固型焦?fàn)t成套設(shè)備具有較高的自動(dòng)化及智能化水平，目前已經(jīng)投入使用。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，推焦桿易發(fā)生較大幅度振動(dòng)、發(fā)出噪聲，當(dāng)桿推進(jìn)炭化室后這種振動(dòng)易造成焦炭坍塌，降低焦炭成品率，同時(shí)對(duì)推焦裝置以及桿前部支撐板產(chǎn)生破壞，造成產(chǎn)品無法正常使用等問題。

為了減弱推程中桿的振動(dòng)，文獻(xiàn)[1]通過實(shí)地觀察研究6m 焦?fàn)t機(jī)械推焦桿的結(jié)構(gòu)，總結(jié)桿的振動(dòng)主要與桿的設(shè)計(jì)以及齒輪在桿上部嚙合推動(dòng)有關(guān)。文獻(xiàn)[2-3]都通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)推焦裝置推程與去程的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行采集與對(duì)比分析，得出滑靴與炭化室地面之間形成的摩擦是造成推焦裝置振動(dòng)的主要原因。目前對(duì)于推焦裝置中桿振動(dòng)原因的分析大多基于經(jīng)驗(yàn)或者仿真，真正原因及激勵(lì)源尚未完全確定，由于焦?fàn)t成套設(shè)備比較復(fù)雜、體積龐大，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)難以采集到準(zhǔn)確反映推焦桿實(shí)際振動(dòng)情況的信號(hào)，為了提高研究效率，彌補(bǔ)僅依靠實(shí)驗(yàn)方法采集信號(hào)存在的不足，采用實(shí)驗(yàn)與仿真模擬分析結(jié)合的方法開展研究。

在機(jī)械系統(tǒng)中，一些部件會(huì)由于材料屬性和受到外部載荷的作用，產(chǎn)生難以忽略的變形，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)整體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，在進(jìn)行工程力學(xué)分析時(shí)如果忽略剛?cè)狁詈系淖饔脤⒌玫脚c實(shí)際情況嚴(yán)重不符的結(jié)論。文獻(xiàn)[4]通過創(chuàng)建梁式抽油機(jī)的剛?cè)狁詈舷的Ｐ?，并與剛體模型進(jìn)行對(duì)比，得出柔性體的變形將對(duì)模型的力學(xué)性能造成顯著影響；文獻(xiàn)[5]通過對(duì)仿蝗蟲跳躍機(jī)器人的膝、踝關(guān)節(jié)處加裝扭簧，建立其剛?cè)狁詈夏Ｐ停瑢?duì)模型起跳階段仿真分析，結(jié)果表明柔性化因素增加了仿蝗蟲跳躍機(jī)器人結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。目前還沒有研究將剛?cè)狁詈戏治鲞@種方法應(yīng)用于推焦桿，因此利用ANSYS 和ADAMS 創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ停_展聯(lián)合仿真，相比于純剛體系統(tǒng)可以更加準(zhǔn)確的模擬系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀況。

以6.25 米搗固型焦?fàn)t的推焦裝置為載體，利用ANSYS 和ADAMS 軟件聯(lián)合仿真創(chuàng)建了推焦裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ?，利用?shí)驗(yàn)采集的振動(dòng)信號(hào)驗(yàn)證模型正確性，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，模擬實(shí)際推焦過程，探究推焦裝置的振動(dòng)機(jī)理，為后續(xù)推焦裝置減振優(yōu)化設(shè)計(jì)做理論鋪墊。

2 ADAMS 柔性體動(dòng)力學(xué)建模理論

ADAMS 應(yīng)用混合坐標(biāo)方法描述剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)，創(chuàng)建柔性體動(dòng)力學(xué)分析模型，然后應(yīng)用求解器對(duì)模型求解[6]。

2.1 柔性體建模

選取滑靴上部為柔性體，為了計(jì)及上部的彈性變形對(duì)其大范圍運(yùn)動(dòng)的影響，所以ADAMS 中采用混合坐標(biāo)建模方法來描述滑靴上部在慣性系中的位形，依靠浮動(dòng)坐標(biāo)系和彈性坐標(biāo)共同描述柔性體在慣性參考系中的坐標(biāo)，生成系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，混合坐標(biāo)建模目前是大家經(jīng)常采用的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)創(chuàng)建模型的方法[7]?；ド喜恳还?jié)點(diǎn)P 的位置向量可以表示為如圖1 所示。圖中：er—慣性坐標(biāo)系；eb—浮動(dòng)坐標(biāo)系；A—坐標(biāo)變換矩陣節(jié)點(diǎn)p 的彈性變形，由滑靴上部有限元模型中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的彈性變形按編號(hào)矢量求和得到部件整體變形：

式中：φl—第i 階模態(tài)向量；

qi—位移u 在第i 階模態(tài)的坐標(biāo)值[8]。

導(dǎo)入到ADAMS 中的滑靴上部模態(tài)中性文件包含柔性體模態(tài)信息，代入上式可以得到u?；ド喜咳嵝泽w上任一點(diǎn)的速度和加速度可以由點(diǎn)位置矢量對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得到。

圖1 柔性體上節(jié)點(diǎn)P 的位置Fig.1 Position of P on a Flexible Body

2.2 柔性體運(yùn)動(dòng)微分方程

滑靴上部柔性體廣義坐標(biāo)ξ 表示為：

由下列拉格朗日方程可以推導(dǎo)出柔體動(dòng)力學(xué)方程：

式中：Ψ—約束方程；λ—對(duì)應(yīng)Ψ 的拉氏乘子；Q—投影到ξ 上的廣義力；L—拉格朗日項(xiàng)，L=T-W；T—?jiǎng)幽埽籛—?jiǎng)菽?；Γ—能量損耗函數(shù)。柔性體的動(dòng)能為勢(shì)能為 W=Wg。

將解得的T，W，Γ 代入上式，求解得柔性體動(dòng)力學(xué)方程：

式中：ξ—柔性體的廣義坐標(biāo)；M—質(zhì)量矩陣；

3 創(chuàng)建推焦裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ?/h2>

3.1 建立推焦裝置剛體模型

3.1.1 模型導(dǎo)入及材料屬性設(shè)置

應(yīng)用UG 建模軟件建立推焦裝置三維模型并完成精確裝配。為了對(duì)模型各部分組成部件進(jìn)行求和運(yùn)算以及降低后續(xù)ANSYS 網(wǎng)格劃分難度，減少計(jì)算量，建模時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了必要簡(jiǎn)化，去掉倒角、焊接焊縫和螺紋孔，同時(shí)隱藏與分析無關(guān)的部件[9]。

將實(shí)體模型導(dǎo)出為*.X_T 類型的Parasolid 文本文件，將其重新在建模模式下導(dǎo)入U(xiǎn)G，對(duì)零件進(jìn)行求和運(yùn)算，合并重新導(dǎo)出模型，最后導(dǎo)入ADAMS，模型的主要部件，如圖2 所示。

圖2 簡(jiǎn)化模型圖Fig.2 Simplified Model Diagram

ADAMS 軟件單位設(shè)置為MKS，根據(jù)圖2 中顯示的模型坐標(biāo)系，將重力設(shè)置為-Z 軸。添加材料到軟件中，設(shè)置模型主要部件材料屬性，如表1 所示。

表1 各部件材料屬性Tab.1 Material Properties of Each Component

3.1.2 添加約束

推程部分，推焦桿在支座支撐下依靠齒輪齒條嚙合傳動(dòng)啟動(dòng)并向前推進(jìn)，滑靴進(jìn)入炭化室后，桿依靠支座與滑靴的支撐繼續(xù)前進(jìn)，直至推出所有焦炭，推程結(jié)束。根據(jù)推焦運(yùn)動(dòng)過程，添加約束，如表2 所示?；呐c炭化室地面的摩擦系數(shù)主要由接觸材料確定，滑靴下部材料為鋼，炭化室地面材料為耐火磚，通過查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，設(shè)置滑靴下部與炭化室地面之間的靜摩擦系數(shù)為0.8，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.6。推焦桿重力對(duì)仿真的影響不可忽略，因此推焦桿與大地沒有設(shè)置移動(dòng)副，齒輪與齒條沒有設(shè)置齒輪副，因?yàn)橐苿?dòng)副會(huì)限制推焦桿只能沿固定方向移動(dòng)，導(dǎo)致重力失去作用效果，齒輪副創(chuàng)建需要移動(dòng)副為基礎(chǔ)。

表2 各部件間約束關(guān)系Tab.2 Constraints Between Components

3.1.3 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)置

齒輪添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)作為模型的驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)速度是通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率實(shí)現(xiàn)的，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)記錄推焦車操作室顯示屏上的數(shù)據(jù)提取實(shí)際驅(qū)動(dòng)頻率，由經(jīng)驗(yàn)公式（5）計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)速度，再根據(jù)公式（6）得到齒輪角速度，作為用于模型仿真的齒輪驅(qū)動(dòng)速度[10]。

模型中齒輪齒條嚙合力是由電機(jī)源驅(qū)動(dòng)力與推焦阻力矢量求和得到的，在模型中體現(xiàn)為齒輪旋轉(zhuǎn)角速度，因此沒有添加推焦阻力。至此，推焦裝置剛體模型建立完成。

3.2 創(chuàng)建滑靴上部模態(tài)中性文件

滑靴上部上端面與推焦桿固連，下端面與滑靴下部通過軸孔形成旋轉(zhuǎn)副，推焦過程中，這兩個(gè)位置承受較大阻力，會(huì)產(chǎn)生對(duì)分析難以忽略的變形，為了更加準(zhǔn)確的模擬實(shí)際推焦過程，必須考慮滑靴上部變形與推焦裝置整體大范圍空間運(yùn)動(dòng)之間的相互耦合作用，因此選擇滑靴上部作為柔性部件。在ANSYS 中生成滑靴上部柔性化模型，在滑靴上部2 個(gè)約束連接處建立剛性區(qū)域，創(chuàng)建剛性連接點(diǎn)，最后通過ANSYS 與ADAMS 軟件連接口導(dǎo)出模態(tài)中性文件。選取連接點(diǎn)的位置，如圖3 所示。

圖3 滑靴上部連接點(diǎn)Fig.3 Connecting Points of Upper Part of Sliding Shoe

4 仿真模型正確性驗(yàn)證

為了解推焦裝置的實(shí)際振動(dòng)情況，本次實(shí)驗(yàn)將6 個(gè)單向振動(dòng)加速度傳感器布置于前支座，使用INV3060S 采集儀連續(xù)采集分析多組推焦裝置振動(dòng)信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作，如圖4 所示。任意選取其中一組振動(dòng)測(cè)試信號(hào)，對(duì)應(yīng)該組記錄的驅(qū)動(dòng)頻率，計(jì)算得到齒輪驅(qū)動(dòng)速度，仿真獲得推焦桿豎直方向加速度信號(hào)，截取的仿真信號(hào)與實(shí)驗(yàn)信號(hào)相同時(shí)間區(qū)域的曲線圖，如圖5 所示。

從圖中可以看出仿真信號(hào)與實(shí)驗(yàn)采集信號(hào)具有相同的變化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)信號(hào)最后出現(xiàn)的峰值是由于實(shí)際推程結(jié)束時(shí)推焦桿突然停止形成的。實(shí)驗(yàn)將加速度傳感器布置在前支棍處，而前支輥是固定不動(dòng)的，推焦桿振動(dòng)傳遞到支輥存在巨大能量損失，且推焦裝置存在多個(gè)支輥，應(yīng)用簡(jiǎn)化的設(shè)備模型進(jìn)行仿真，實(shí)際推焦桿周圍還存在許多約束，因此實(shí)驗(yàn)獲取信號(hào)的加速度幅值較小。實(shí)驗(yàn)采集振動(dòng)信號(hào)與仿真振動(dòng)信號(hào)趨勢(shì)一致，因此該模型正確反應(yīng)了推焦裝置實(shí)際運(yùn)行狀況，可以用于進(jìn)一步仿真分析。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試Fig.4 Experimental Test

圖5 實(shí)驗(yàn)采集信號(hào)（上）與仿真信號(hào)（下）Fig.5 Experimental Acquisition Signal（up）and Simulation Signal（down）

5 仿真結(jié)果與分析

利用ADAMS 創(chuàng)建剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，選取對(duì)擁有大柔性部件模型具有高求解效率的Newmark 積分器作為求解器，對(duì)模型仿真求解。設(shè)置時(shí)間為103s，步數(shù)為10300，后處理得到的推焦桿X、Y、Z 方向加速度信號(hào)圖，如圖6 所示。從圖中可以看出，推焦桿啟動(dòng)到58s 左右這段時(shí)間，推焦桿沒有出現(xiàn)明顯振動(dòng)，58s 之后三個(gè)方向加速度信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)，并持續(xù)到推程結(jié)束。對(duì)應(yīng)仿真動(dòng)畫，58s 左右推焦桿質(zhì)心位置正好處于齒輪與前支座之間，推焦桿由之前受到前后支座、齒輪支撐變成受到前后支座、齒輪和滑靴支撐，滑靴與炭化室地面形成摩擦，直到推程結(jié)束摩擦一直存在，可見滑靴與炭化室地面存在的摩擦是桿振動(dòng)的主要激勵(lì)源。

圖6 推焦桿 X、Y、Z 方向加速度Fig.6 Direction Accelerations of the X、Y and Z of the Pushing Coke Rod

根據(jù)廠家設(shè)備生產(chǎn)要求，靜摩擦系數(shù)保持0.8 不變，通過修改動(dòng)摩擦系數(shù)進(jìn)行系列動(dòng)力學(xué)仿真運(yùn)算，從推程開始到大約58s這段時(shí)間內(nèi)，滑靴與炭化室不存在摩擦力，不同摩擦系數(shù)的模型這段時(shí)間內(nèi)振動(dòng)信號(hào)大體相同，因此截取56s 到103s 桿Z 方向加速度信號(hào)出圖，不同動(dòng)摩擦系數(shù)下推焦桿三個(gè)方向加速度仿真結(jié)果圖，如圖7 所示。

圖7 推焦桿各方向加速度Fig.7 Z Direction Accelerations of the Pushing Coke Rod

結(jié)合仿真信號(hào)圖和仿真動(dòng)畫，可以看出桿推入炭化室后的運(yùn)動(dòng)形式比較復(fù)雜，推程最后時(shí)刻推焦桿有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)時(shí)走時(shí)停和輕微跳躍的現(xiàn)象，僅依靠仿真信號(hào)圖難以得出有效結(jié)論，因此對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)值對(duì)比分析很有必要。RMS 即均方根值，當(dāng)RMS 的物理參數(shù)是加速度時(shí)，可以用于判定部件振動(dòng)的強(qiáng)烈程度。三個(gè)方向推焦桿加速度信號(hào)軟件的后處理結(jié)果，如表3 所示。

表3 仿真結(jié)果Tab.3 The Simulation Result

分析表格得出，靜摩擦系數(shù)μs不變，隨著滑靴與炭化室地面之間動(dòng)摩擦系數(shù)μd減小，推程中推焦桿X、Y、Z 三個(gè)方向的加速度RMS 逐漸減小，即隨著動(dòng)摩擦系數(shù)減小，推焦桿主要方向的振動(dòng)逐漸變?nèi)酢?/p>

6 結(jié)論

采用虛擬樣機(jī)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，通過軟件聯(lián)合仿真，生成了推焦裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ停瑢?duì)比實(shí)驗(yàn)采集的推焦桿振動(dòng)信號(hào)與仿真后處理信號(hào)，證實(shí)了模型的準(zhǔn)確性。通過仿真得出滑靴與炭化室地面之間存在的摩擦是推程中桿振動(dòng)的主要原因，摩擦是裝置振動(dòng)最主要的激勵(lì)源。修改模型中滑靴與炭化室地面之間的動(dòng)摩擦系數(shù)，保持其余參數(shù)不變，動(dòng)力學(xué)仿真獲得了隨著動(dòng)摩擦系數(shù)的減小，推焦桿主要方向的振動(dòng)減弱的規(guī)律，此研究結(jié)果可為推焦裝置后續(xù)減振及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。