陳俊君，孫桓五，徐 冰

（1.山西大學(xué)自動(dòng)化系，山西 太原 030013；2.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；3.太原理工大學(xué)煤炭資源開采利用與裝備工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西 太原 030024）

1 引言

大型焦?fàn)t成套設(shè)備是煉焦行業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種機(jī)械裝置，主要由裝煤車、推焦車、攔焦車和熄焦車四大設(shè)備組成。國(guó)內(nèi)某重工股份有限公司生產(chǎn)的6.25m搗固焦?fàn)t設(shè)備是目前市場(chǎng)占有率較高的焦?fàn)t成套設(shè)備[1]，其炭化室長(zhǎng)約17m，寬0.53m，高6.25 m，每孔裝煤量約為45.6t，產(chǎn)焦量為38t。推焦車作為焦?fàn)t成套設(shè)備中重要的執(zhí)行裝置，其主要作用包括：對(duì)炭化室機(jī)側(cè)爐門進(jìn)行摘、關(guān)操作，焦?fàn)t裝煤的過程中實(shí)現(xiàn)平煤，將炭化室煉制的紅焦推出使其落到熄焦車上[2]。通過對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過程的實(shí)地觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)推焦車在推焦作業(yè)過程中存在著明顯的振動(dòng)現(xiàn)象。該振動(dòng)一方面會(huì)對(duì)焦?fàn)t爐體產(chǎn)生破壞，如造成焦?fàn)t底部和頭部耐火磚松動(dòng)、移位和斷裂，燃燒室和炭化室之間的串漏[3?4]；另一方面也會(huì)造成推焦裝置中相互接觸的部件之間產(chǎn)生磨損和表面損傷，從而降低設(shè)備的可靠性和壽命。劇烈的振動(dòng)不僅會(huì)導(dǎo)致推焦裝置無法正常工作，還可能造成煤餅坍塌，給推焦設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)工作人員帶來安全威脅[5?6]。

推焦裝置是將焦炭推出炭化室的設(shè)備，推焦裝置的材料為鋼材，推焦桿、支撐、長(zhǎng)梁等結(jié)構(gòu)均使用鋼板或者型鋼焊接而成，炭化室地面鋪設(shè)耐火磚。推焦裝置的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)是推焦桿，在實(shí)際工作狀態(tài)下，推焦桿要進(jìn)入炭化室中將焦?fàn)t中成熟的紅焦從炭化室中推出通過導(dǎo)焦槽落到熄焦車上，在工作過程中推焦裝置會(huì)發(fā)生明顯的自激振動(dòng)現(xiàn)象，為了獲得推焦裝置自激振動(dòng)的頻率，這里采用ANSYS有限元軟件提取了推焦作業(yè)過程中推焦裝置的自激振動(dòng)頻率，并與試驗(yàn)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比，表明工作過程中推焦裝置在51Hz頻率處發(fā)生了自激振動(dòng)，結(jié)果為推焦裝置的設(shè)計(jì)、改進(jìn)及故障診斷等提供了一定的理論依據(jù)。

2 推焦裝置振動(dòng)特性仿真分析

模態(tài)分析的目的在于確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性[7]，從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)來看，推焦裝置的振動(dòng)形式主要為低頻振動(dòng)，所以本文首先求取了推焦裝置的前20階模態(tài)振型，然后對(duì)推焦裝置進(jìn)行了諧響應(yīng)分析[8]。推焦桿和滑履采用的材料為Q235?A，其彈性模量為（2.12×105）MPa，泊松比為0.288，密度為（7.86×103）kg/m3。推焦頭采用的材料為Q235?B，其彈性模量為（2.10×105）MPa，泊松比為0.274，密度為（7.83×103）kg/m3。推焦裝置的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 推焦裝置的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure Diagram of Coke Pushing Device

根據(jù)推焦裝置實(shí)際工作時(shí)的受力情況，推焦桿頭部前端面與焦炭直接接觸，在推焦過程中，推焦裝置主要是要克服焦炭對(duì)其產(chǎn)生的摩擦阻力，該摩擦阻力是導(dǎo)致裝置發(fā)生自激振動(dòng)的激勵(lì)源，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，推焦阻力的數(shù)值取為（1.6×105）N，仿真分析時(shí)對(duì)推焦裝置實(shí)際工作中與前兩個(gè)支棍相接觸的表面施加了位移約束。通過諧響應(yīng)分析，可獲得位移、加速度、應(yīng)力及應(yīng)變與振動(dòng)頻率之間的關(guān)系。為了分析結(jié)果的全面性，分別提取了x，y，z三個(gè)方向的加速度和頻率之間的響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，三個(gè)方向的加速度和振動(dòng)頻率的響應(yīng)曲線，如圖2所示。

圖2 x，y，z三個(gè)方向振動(dòng)信號(hào)頻譜圖Fig.2 Vibration Signal Spectrums in x，y and z Directions

從中可發(fā)現(xiàn)在x，y，z三個(gè)方向都發(fā)生了頻率為51Hz的低頻振動(dòng)，由模態(tài)分析可知，推焦裝置發(fā)生的自激振動(dòng)形式與模態(tài)分析中的第14階模態(tài)相同，推焦裝置第14階模態(tài)振型圖，如圖3所示。由該振型圖可知推焦裝置在xoz平面內(nèi)產(chǎn)生了較大的彎曲振動(dòng)，且推焦桿尾部振動(dòng)最為劇烈，為了證明有限元仿真分析的正確性，接下來將對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖3 推焦裝置第14階模態(tài)振型圖Fig.3 Mode Shape of the 14th Mode of the Coke Pushing Device

3 基于相關(guān)分析與EMD算法的振動(dòng)試驗(yàn)信號(hào)處理

3.1 EMD算法概述

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）算法是把信號(hào)自適應(yīng)的分解成若干個(gè)本征模態(tài)函數(shù)（IMF）和一個(gè)殘余信號(hào)的過程：

每個(gè)本征模態(tài)IMF都可以通過以下方法獲取：

（1）通過三次樣條函數(shù)將試驗(yàn)信號(hào)的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)進(jìn)行包絡(luò)擬合，求取上下包絡(luò)線的均值m（0t）；

（2）將試驗(yàn)信號(hào)減去m（0t），從而獲得一個(gè)去除低頻成分的新信號(hào)h（0t）：

（3）判斷信號(hào)h（0t）是否滿足本征模態(tài)函數(shù)的兩個(gè)條件[9]。若滿足條件，則h（0t）即為首個(gè)IMF，記為c（1t）；若不滿足條件，則將h（0t）作為新的試驗(yàn)信號(hào)x（t），繼續(xù)重復(fù)步驟1~3，直到獲得第一個(gè)IMF，記為c（1t）；

（4）將試驗(yàn)信號(hào)x（t）減去第一個(gè)本征模態(tài)c（1t）得到新的試驗(yàn)信號(hào)r（1t），則：

對(duì)r（1t）重復(fù)上述求取c（1t）的步驟，進(jìn)而得到第二個(gè)本征模態(tài)IMF，記為c（2t），如此反復(fù)，直到殘余信號(hào)r（nt）是一個(gè)單調(diào)信號(hào)或r（nt）小于預(yù)設(shè)閾值，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解結(jié)束。

3.2 信號(hào)相關(guān)分析的概念

信號(hào)相關(guān)分析方法廣泛應(yīng)用于研究?jī)蓚€(gè)信號(hào)之間的相關(guān)程度[10]。對(duì)于兩個(gè)各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)信號(hào)x（t）和y（t），根據(jù)測(cè)試技術(shù)相關(guān)理論可知其互相關(guān)函數(shù)為：

對(duì)于某一測(cè)試系統(tǒng)在不同時(shí)間段內(nèi)獲取的兩個(gè)信號(hào)x（t）和y（t），用Rx（yτ）可表示兩個(gè)信號(hào)的相似程度，為了歸一化的表示其相關(guān)程度，定義了相關(guān)系數(shù)的概念，其表達(dá)式為：

3.3 推焦裝置振動(dòng)試驗(yàn)信號(hào)處理

工作現(xiàn)場(chǎng)采集到的振動(dòng)信號(hào)其波形圖，如圖4所示。從波形圖中能夠看出，隨著推焦工作的進(jìn)行，在x，y，z三個(gè)方向上的振動(dòng)都逐漸加劇，為了進(jìn)一步分析裝置振動(dòng)的頻率，首先采用EMD方法將三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，求取各個(gè)方向的本征模態(tài)IMFi，然后計(jì)算每個(gè)方向的IMFi與該方向振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知當(dāng)相關(guān)系數(shù)小于0.3時(shí)認(rèn)為兩個(gè)信號(hào)不相關(guān)，故相關(guān)系數(shù)低于0.3的本征模態(tài)IMFi省略，然后將剩余的本征模態(tài)中符合文獻(xiàn)[11]要求的模態(tài)按式（6）進(jìn)行重構(gòu)，通過傅里葉變換進(jìn)而獲得信號(hào)的頻譜圖。采用相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，在x方向上與原信號(hào)相關(guān)系數(shù)大于0.3的本征模態(tài)為IMF3，IMF4和IM5，它們與x方向振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)分別為0.4186，0.4881 和0.4337，圖5（a）~（c）所示為x方向振動(dòng)信號(hào)經(jīng)EMD 分解獲得的本征模態(tài)的頻譜圖，圖5（d）為進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)后獲得的頻譜圖。在y方向上與原信號(hào)相關(guān)系數(shù)大于0.3的本征模態(tài)為IMF3和IM4，它們與y方向振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)分別為0.5188和0.4499，圖6（a）~圖6（b）所示為y方向振動(dòng)信號(hào)經(jīng)EMD 分解獲得的本征模態(tài)的頻譜圖，圖6（c）為進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)后獲得的頻譜圖。在z方向上與原信號(hào)相關(guān)系數(shù)大于0.3的本征模態(tài)為IMF3和IMF4，它們與z方向振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)分別為0.5271和0.6591，圖7（a）~圖7（b）所示為z方向振動(dòng)信號(hào)經(jīng)EMD分解獲得的本征模態(tài)的頻譜圖，圖7（c）為進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)后獲得的頻譜圖。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采集到的振動(dòng)信號(hào)Fig.4 Vibration Signals Collected from the Test Site

式中：ρIMFi—經(jīng)EMD分解獲得的第i個(gè)本征模態(tài)與原信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)。

從圖5，圖6和圖7所示的三個(gè)方向的頻譜圖中可知，經(jīng)過這里提出的基于相關(guān)分析的EMD提取與重構(gòu)算法后，在推焦裝置x方向的振動(dòng)信號(hào)中可以提取出頻率為51.06Hz的振動(dòng)信號(hào)，在y方向的振動(dòng)信號(hào)中提取出了50.25Hz的振動(dòng)信號(hào)，在z方向的振動(dòng)信號(hào)中可以提取出頻率為47.22Hz的振動(dòng)信號(hào)。有限元仿真分析在x，y，z三個(gè)方向上均提取出了頻率為51Hz的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)比可知，在x和y兩個(gè)方向上仿真分析的結(jié)果與試驗(yàn)信號(hào)實(shí)際分析的結(jié)果基本一致，在z方向上仿真分析的結(jié)果與試驗(yàn)信號(hào)實(shí)際分析的結(jié)果的相對(duì)誤差為7.4%左右，主要原因在于實(shí)際的推焦裝置工作過程中在z方向上有支棍起到支承作用，對(duì)實(shí)際的振動(dòng)產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)致實(shí)際監(jiān)測(cè)到的頻率發(fā)生了較大變化，所以實(shí)際分析中以現(xiàn)場(chǎng)采集到的x和y兩個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確度更高。

圖5 x方向振動(dòng)信號(hào)頻譜圖Fig.5 Vibration Signal Spectrums in x Direction

圖6 y方向振動(dòng)信號(hào)頻譜圖Fig.6 Vibration Signal Spectrums in y Direction

圖7 z方向振動(dòng)信號(hào)頻譜圖Fig.7 Vibration Signal Spectrums in z Direction

4 結(jié)語(yǔ)

推焦裝置振動(dòng)特性仿真分析表明推焦裝置發(fā)生的自激振動(dòng)形式與模態(tài)分析中的第14階模態(tài)相同，即推焦作業(yè)過程中推焦裝置在xoz平面內(nèi)產(chǎn)生了較大的彎曲振動(dòng)，且推焦桿尾部振動(dòng)最為劇烈。推焦裝置的振動(dòng)試驗(yàn)信號(hào)分析結(jié)果表明在x和y兩個(gè)方向上仿真分析與實(shí)際試驗(yàn)信號(hào)分析的結(jié)果基本一致，在z方向上仿真分析與實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)分析的結(jié)果有一定的誤差，其數(shù)值為7.4%左右，實(shí)際分析中以現(xiàn)場(chǎng)采集到的x和y兩個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確度更高。