摘要：针对目前焦炭炼制过程中焦炉燃烧室温度测量存在工人劳动强度大、危险系数高、测定结果受工人熟练程度影响较大等问题，设计了具有定轨迹巡航、自主检测位置、姿态调整测温及数据实时传输等功能的焦炉测温车来替代人工测温。首先通过理论分析计算及虚拟样机技术相结合的方式对焦炉测温车的运动特性进行了仿真，对不同电机驱动形式下车体的振动规律、偏转规律及在相同驱动力矩下测温车的加速性能进行了对比，验证了对角电机驱动方式的合理性。其次对焦炉测温车越障过程进行了力学模型建立及动力学分析，通过对越过不同障碍物高度后车身质心y向曲线进行分析，得到了焦炉测温车跨越障碍物的极限高度值。焦炉测温车的现场测试验证了所提设计与仿真的合理性。

　　关键词：焦炉；测温；电机布置；越障性能

　　Research on the Motion Characteristics of the Coke Oven Temperature Measuring Vehicle

　　Xie Gehui

　　(Taiyuan Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group,Taiyuan 030006,China)

　　Abstract:In response to the current problems of high labor intensity,high risk factor,and significant impact of worker proficiency in measuring the temperature of the coke oven combustion chamber during the coke refining process,a coke oven temperature measurement vehicle is designed with functions such as fixed trajectory cruising,autonomous position detection,attitude adjustment temperature measurement,and real-time data transmission to replace manual temperature measurement.Firstly,the motion characteristics of the coke oven temperature measuring vehicle are simulated through a combination of theoretical analysis and virtual prototyping technology.The vibration and deflection laws of the vehicle body under different motor driving forms,as well as the acceleration performance of the temperature measuring vehicle under the same driving torque,are compared,verifying the rationality of the diagonal motor driving method.Secondly,a mechanical model is established and dynamic analysis is conducted on the obstacle crossing process of the coke oven temperature measuring vehicle.By analyzing the y-axis curve of the body mass center after crossing different obstacle heights,the limit height value of the coke oven temperature measuring vehicle crossing obstacles is obtained.Finally,on-site testing is conducted on the coke oven temperature measuring vehicle,and the rationality of the design and simulation is verified.

　　Key words:coke oven;temperature measurement;motor layout;the obstacle performance

　　0引言

　　焦炭炼制过程中，对于燃烧室立火道温度的测定是炼焦质量好坏的关键。目前国内90%的炼焦企业采用的立火道温度测量方式为人工测温，测温工人每隔4 h采用手持测温仪在立火道上方对炉内温度进行测量，存在工人劳动强度大、危险系数高、测定结果受工人熟练程度影响较大等问题。

　　针对焦炉燃烧室温度存在滞后性强、非线性、全炉连续单炉断续等问题，且人工测温误差较大等现状，国内焦炉企业采用的焦炉测温自动化升级路径基本为两种：(1)在立火道探火孔炉盖处相间安装固定式红外测温仪的方式来进行温度数据测量及联网控制；(2)在立火道跨越孔附近耐火砖内预埋固定式热电偶进行温度数据测量及联网控制。但是两种测温方式均存在安装测温仪器数量大、成本高，测温设备长期位于高温区域内导致寿命较短等问题[1-4]。

　　结合目前人工测温和自动测温存在的问题，本文提出在焦炉顶面布置定轨迹巡回的自动测温车，工作区域为从炉顶装煤车控制室下方穿过来避让炉顶往复工作的装煤车，通过自动确定测温探火孔位置、自主提起探火孔炉盖、自主调整温度角度、实时上传温度数据等流程测量燃烧室温度，有效解决目前人工测温过程中结果误差大、劳动强度大，以及目前自动化测温过程中测温仪器数量多、成本高、寿命短、维护困难等问题，使得测量结果更加准确及时。

　　1焦炉测温车结构设计

　　针对上述测温方式存在的弊端，结合焦炉结构特点，本文提出采用定轨迹巡航、自主检测位置、姿态调整测温及数据实时传输的方式进行焦炉顶面立火道自动温度。图1所示为焦炉测温车整体设计。整个焦炉测温车部分需要从焦炉顶面装煤车控制室下方穿过，整体成扁平状样式。在车体对角两处为提盖和测温装置，其位置与两组立火道探火孔的距离相等，当车自主检测到需要测温的位置时，两组提盖与测温装置可同时完成两组立火道探火孔的炉盖提起与温度测量动作[5]。在测量过程中，测温枪搭载在双自由度云台上，角度可覆盖整个测温核心区域，保证了测量的准确性。在完成两组测温动作后，所测温度数据可通过RS485通信模块传输回焦炉中控室，用于炼焦温度的控制[6]。

　　2焦炉测温车运动特性仿真

　　焦炉测温车工作环境较为恶劣，存在环境温度高、空间粉尘多、地面变形大等特点，测温车各零部件间的空间位置、动力学关系及相互耦合呈非线性变化趋势[7]。通过虚拟样机技术对焦炉测温车的工作过程进行动力学分析，可以直观得出焦炉测温车在启动、停止、提盖、放盖等过程中的速度、位移及加速度曲线，可快速验证设计的合理性[8]。

　　2.1驱动力矩计算

　　由力学理论可知，测温车驱动力矩存在如下关系[9]：

　　式中：Fτ为车轮驱动力；Fr为轨道对车轮的运动阻力。

　　车轮驱动力Fτ可由式(2)计算：

　　式中：μ为车轮对轨道的附着力系数；N为轨道对车轮的法向支撑反力；T为电机对车轮的驱动力矩；r为车轮的有效半径。

　　车轮的运动阻力可由式(3)定义：

　　式中：fe为车轮滚动阻力系数。

　　将式(2)、(3)代入式(1)可得：

　　式中：μe为车轮与轨道间的牵引参数。

　　车轮的运动时的转动惯量总和为：

　　式中：mw为主、从动车轮质量总和。

　　测温车工作过程中需要的加速力矩为：

　　式中：α为主、从动车轮角加速度。

　　将设计参数代入上式求得测温车最大驱动力矩=15.16 N·m，经查阅单个86步进电机驱动力矩为8.5 N·m，故考虑采用两台电机驱动整个测温车[10]。

　　2.2不同电机驱动形式仿真

　　经过理论计算后，采用动力学仿真分析评估电机驱动形式[11]。目前设计中焦炉测温车的两台驱动电机位于车身对角线的两端，通过仿真对比不同电机的安装位置，验证其驱动特性的合理性。

　　设置测温车模拟工作状态在轨做加减速运动，具体设置参数如表1所示。

　　图2~3所示为焦炉测温车的车体振动及车体偏转规律曲线。在3种电机驱动形式下综合对比上述3种电机驱动方式，其具体情况如表2所示。

　　平行电机驱动下，车体y轴方向的振动幅度为0.25 mm，沿z轴左右偏转程度为0.02 mm，但由于所测量探火孔位置位于车体的对角线两处，左右两侧平行驱动会使其中一侧的电机位于测量的探火孔上方，孔内热气流会灼烧该侧电机，故不予考虑。剩余两种动力形式中，单个电机驱动振动幅度小于对角电机驱动，但绕z轴的偏转幅度大于对角电机驱动。通过数据得出，两种驱动形式的振动幅度小于0.4 mm，偏转幅度小于0.05 mm，属于安全范围内，均可以采用。

　　分别仿真测试对角电机驱动和单个电机驱动形式下车体的加速性能。分别在驱动轮处按照实际工况施加8.5 N·m的单个驱动力矩和对角两处双速合流驱动力矩，设置运行时间3 s观察其速度-时间曲线图，如图4所示[12]。从图中看出，对角电机驱动形式在3 s内Δv=4.7 m/s，单个电机驱动形式在3 s内Δv=2.5m/s。综上可得，对角电机驱动形式加速度远大于单个电机驱动形式，更加符合实际测温的工作需要，且其振动与偏转幅度均处于安全范围内，故此种驱动形式最为合理。

　　2.3焦炉测温车越障性能分析

　　2.3.1焦炉测温车跨越障碍物数学模型

　　焦炉测温车的工作环境为露天场所，且穿梭于焦炉运煤车底部，工作路径上会遇到煤块、石块、土堆等各种障碍，因此焦炉测温车的越障能力是其能否成功应用的关键。如图5所示为焦炉测温车越障过程的力学模型。

　　该系统的力学方程如式(5)所示。

　　式中：Gi为各车轮重力；φ为越障处作用反力与水平线夹角；Oi为各车轮质心；Gli为各车轮支架重力；αj为各车轮支架与水平线夹角；h为障碍物高度；r为各车轮半径。

　　2.3.2焦炉测温车跨越障碍物仿真实验

　　在动力学分析软件中对焦炉测温车轨道上添加立方体障碍物，通过对障碍物高度h设置不同数值，来模拟实际工况下轨道上掉落的煤块、灰尘堆积和工程杂物等情况，观察焦炉测温车在不同障碍物高度下的越障性能[13]。

　　经过仿真计算得到，当h=30 mm、40 mm时焦炉测温车均在第5 s车身出现y向轻微振动幅度，表明车体前轮开始越过障碍物；第6.8 s时振动幅度加剧表明焦炉测温车前轮通过障碍物，后轮开始越障；第8 s后振幅逐渐减小，约3 s后趋于平稳，表明第8 s测温车后轮越过障碍物后在阻尼的作用下振幅被吸收，车体趋于平稳，如图6所示。

　　当障碍物高度h=50 mm时，由于h≥r，导致越障时前轮支架会先与障碍物碰撞而导致车轮受到冲击，随着焦炉测温车继续前进，车轮与障碍物接触并开始越过障碍物。当后轮越过障碍物时，由于前后轮安装方式呈镜像布置，后轮会先与障碍物接触，当轮越过障碍物开始下落时，障碍物会与后轮支架相撞，越障过程如图7所示。

　　由以上仿真分析得出，当越过障碍物高度低于50 mm时，焦炉测温车均可以轻松越过。随着障碍物高度的增加，测温车越过障碍物后晃动的幅度随之增大，但晃动时间均基本维持在3~4个振动周期后趋于平稳[14]。当越过障碍物高度大于50 mm后，越过瞬间动力轮支架会与障碍物产生碰撞冲击，影响其使用寿命，并且车身抬高距离过高，会增加脱轨的风险。

　　3焦炉测温车运行试验研究

　　为了验证设计的合理性，通过在焦炉顶面进行施工，于实际场地进行焦炉测温车运行状况测试[15]。由于焦炉顶面受热变形的持续存在，在施工过程中并未对焦炉测温车的轨道基础面进行平整，轨道在y向位移随着焦炉顶面的变形而变形。通过长时间实地测试记录得出，实际工作环境中轨道处掉落的障碍物高度远小于仿真的极限值，焦炉测温车可以在轨道上顺利运行，如图8所示。

　　当焦炉测温车行驶至焦炉顶面最高处时，仍不与装煤车控制室发生相互干涉，可以顺利从其底面穿过，验证了设计的合理性，如图9所示。

　　4结束语

　　本文针对目前测量焦炉燃烧室立火道温度存在的问题设计了可定轨迹巡航、自主检测位置、姿态调整测温及数据实时传输的焦炉测温车。

　　通过数值计算得出焦炉测温车工作过程的驱动力矩为15.16 N⋅m。对单个电机驱动、对角电机驱动及平行电机驱动等驱动形式进行综合对比，得出在对角电机驱动形式下车体的振动幅度小于0.4 mm，偏转幅度小于0.05 mm，符合安全要求。对角电机驱动形式的加速度大于单个电机驱动形式，符合实际工作的需要。

　　对焦炉测温车越障过程建立数学模型得出当越过障碍物高度小于50 mm时，焦炉测温车均可以轻松越过，当越过障碍物高度大于50 mm后，越过瞬间动力轮支架会与障碍物产生碰撞冲击，影响其使用寿命。

　　在焦炉顶面铺设轨道实地测试得出，焦炉测温车在实际工作环境中运行良好，可以顺利穿过装煤车控制室。

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