珠海發(fā)電廠磨煤機(jī)磨輥技術(shù)改進(jìn)分析

張富榮（珠海發(fā)電廠，廣東珠海，519000）

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珠海發(fā)電廠磨煤機(jī)磨輥技術(shù)改進(jìn)分析

張富榮
（珠海發(fā)電廠，廣東珠海，519000）

摘 要：3年內(nèi)，珠海發(fā)電廠磨煤機(jī)輥套發(fā)生斷裂或松動(dòng)26次，經(jīng)檢測(cè)分析其主要原因是設(shè)計(jì)不合理。本文通過(guò)研究，設(shè)計(jì)了增加輥芯與輥套的配合過(guò)盈量，以及增加結(jié)合面面積等方法，徹底解決了磨煤機(jī)輥套斷裂和松動(dòng)的問(wèn)題，延長(zhǎng)了輥芯與輥套的使用壽命，為相關(guān)企業(yè)的技術(shù)改進(jìn)提供參考借鑒作用。

關(guān)鍵詞：磨煤機(jī)輥套；磨輥；斷裂與松動(dòng)；技術(shù)改進(jìn)

引言

珠海發(fā)電廠的鍋爐是日本三菱重工公司生產(chǎn)的亞臨界壓力、一次中間再熱、四角切圓燃燒、固態(tài)排渣的控制循環(huán)鍋爐。珠海發(fā)電廠共有兩臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)鍋爐的制粉系統(tǒng)配備6臺(tái)日本三菱重工公司生產(chǎn)的液壓加載的立式中速磨煤機(jī)，型號(hào)為MVM25R，每臺(tái)磨煤機(jī)共有三個(gè)磨輥。磨煤機(jī)出力為69.5t/h，磨盤轉(zhuǎn)速為35.9 rpm，磨輥轉(zhuǎn)速為50 rpm，磨輥由輥套、輥芯、輥軸及軸承等部件組成，磨輥內(nèi)部的軸承采用油浸自潤(rùn)滑方式，輥套與輥芯的聯(lián)接方式為單鍵及過(guò)盈裝配相結(jié)合，磨盤與磨輥不直接接觸，中間有3mm間隙。

磨煤機(jī)的工作原理［1］是：燃煤經(jīng)落煤管進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的磨煤機(jī)磨盤中心，在磨盤離心力作用下，向磨盤四周移動(dòng)，當(dāng)煤通過(guò)磨盤與磨輥之間的間隙時(shí)，被咬入并進(jìn)行碾磨，碾磨力由磨輥?zhàn)灾丶耙簤貉b置所供油壓組成，此時(shí)，在煤的摩擦力作用下，使磨輥跟著磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，熱風(fēng)不斷進(jìn)入磨煤機(jī)內(nèi)部加熱煤并將合格煤粉送進(jìn)鍋爐燃燒。

我廠磨煤機(jī)原來(lái)磨輥的輥芯與輥套配合過(guò)盈量過(guò)小，且結(jié)合面面積過(guò)小，磨煤機(jī)輥套容易松動(dòng)甚至斷裂，影響磨輥的使用壽命。

1 產(chǎn)品問(wèn)題

珠海發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組于2001年2月投產(chǎn)，2號(hào)機(jī)組于2000年4月投產(chǎn)。該廠內(nèi)磨煤機(jī)輥套為可拆式輪胎狀，由母材（內(nèi)層）、過(guò)渡層（中間層）、硬質(zhì)堆焊層（外層）組成。根據(jù)日本三菱公司的設(shè)計(jì)說(shuō)明書，其輥套堆焊層的厚度為35 mm，材料為MHCCR，Cr-E（洛氏硬度大于HRC60）；過(guò)渡層的厚度為2到3.8mm，材料為SUS309；母材的材料為SC410。輥套的硬質(zhì)堆焊層的設(shè)計(jì)壽命為12000小時(shí)，即經(jīng)過(guò)12000小時(shí)運(yùn)行后，如果硬質(zhì)層的磨損量達(dá)到25mm，需要重新對(duì)硬質(zhì)層進(jìn)行堆焊后再次使用，而不需要更換整個(gè)輥套，而且硬質(zhì)層一般可以堆焊3次以上，也就是說(shuō)輥套母材一般可以使用36000小時(shí)以上。

但是，該廠的磨煤機(jī)輥套在使用大約10000小時(shí)后，整個(gè)輥套就出現(xiàn)了松動(dòng)或斷裂，如圖1所示。輥套的斷裂從2001年7月22日開(kāi)始不斷出現(xiàn)，到2003年底，12臺(tái)磨煤機(jī)（共36個(gè)輥套）發(fā)生松動(dòng)及斷裂的輥套有26個(gè)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在這些松動(dòng)及斷裂的輥套中，輥芯和輥套的結(jié)合面都有不同程度的磨損。這嚴(yán)重影響了磨煤機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，以及機(jī)組的安全運(yùn)行。

2 輥套斷裂、松動(dòng)原因分析

2.1 制造工藝問(wèn)題

輥套的斷裂為通透性斷裂，即從堆焊層表面開(kāi)始向內(nèi)垂直擴(kuò)展，直至母材的根部，裂紋均在鍵槽約250～350mm（順著磨輥轉(zhuǎn)動(dòng)方向）處，如圖1所示，而該處剛好與輥芯的凹槽位置配合。斷裂輥套內(nèi)表面還存在不同程度的磨損，最大可達(dá)到2mm。從輥套斷口的宏觀分析看，輥套堆焊層還存在龜裂、氣孔、夾渣、微裂紋等缺陷，其中微裂紋發(fā)生在堆焊層與母材交界處的過(guò)渡層，造成這些問(wèn)題的主要原因是焊接工藝存在不足。母材斷裂呈現(xiàn)疲勞斷裂特征，即疲勞貝紋線，也就是由于交變應(yīng)力作用使裂紋擴(kuò)展，在裂紋源和瞬斷區(qū)之間形成像貝殼表面的同心圓弧線，裂紋前沿線呈弧狀臺(tái)階痕跡。金屬分析顯示：其各層材料的化學(xué)成分［2］符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 磨煤機(jī)輥套斷裂、裂紋

2.2 設(shè)計(jì)不合理

由于磨煤機(jī)輥芯采用的是“花鍵式”結(jié)構(gòu)，與輥套內(nèi)壁的接觸面積只有整個(gè)輥套內(nèi)壁的41.5%，如圖2所示，而且只有一個(gè)通透式的鍵銷。這使得磨煤機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，抵抗沖擊負(fù)荷的能力就明顯下降，造成對(duì)輥套內(nèi)壁局部沖擊力過(guò)大，產(chǎn)生凹痕。由于該凹痕的存在，在磨煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中易于間隙產(chǎn)生并增大，加速了輥套的斷裂損壞。

圖2 改造前的輥芯

圖3 改造后的輥芯

原設(shè)計(jì)的輥芯尺寸為φ1075+0.253/+0.18，輥套尺寸為φ1075+0.13/+0.10（，也就是說(shuō)輥套與輥芯的裝配過(guò)盈量為0.05 mm～0.153mm。在實(shí)際運(yùn)行中，磨煤機(jī)內(nèi)部溫度易發(fā)生變化，輥套與輥芯難免存在溫差；一旦存在溫差，即會(huì)造成輥套與輥芯的膨脹量不同。因此，輥套與輥芯之間易產(chǎn)生間隙。間隙一旦產(chǎn)生，輥套與輥芯之間就會(huì)發(fā)生撞擊，并加速輥套的斷裂損壞。

2.3 磨輥內(nèi)外溫差變化影響問(wèn)題

在磨煤機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，必須先進(jìn)行暖磨預(yù)熱，使磨煤機(jī)出口溫度升到75℃左右（煤種不同，溫度略有不同）。在正常操作時(shí)，暖磨預(yù)熱的一次風(fēng)進(jìn)入磨煤機(jī)時(shí)溫度往往大于120℃，由于暖磨預(yù)熱時(shí)，磨煤機(jī)內(nèi)部沒(méi)有煤，所以暖磨預(yù)熱時(shí)間往往很短，一般在10分鐘左右。而預(yù)熱一次風(fēng)進(jìn)入磨煤機(jī)前，整個(gè)磨輥與環(huán)境溫度相同或略高（一般在30℃左右），特別是輥芯內(nèi)部有很多潤(rùn)滑油（約30公斤），這使得輥芯內(nèi)壁溫度在較長(zhǎng)時(shí)間里都與環(huán)境溫度相當(dāng)；而輥芯與輥套的厚度（約395mm）及傳熱系數(shù)相當(dāng)，這樣使得輥芯與輥套的平均溫差將非常大。要使輥芯內(nèi)壁溫度與輥套外壁溫度相近，就必須花較長(zhǎng)時(shí)間（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般需要超過(guò)30分鐘）加熱內(nèi)部的潤(rùn)滑油，使油溫也接近輥套外壁溫度。因此，在正常暖磨預(yù)熱后投煤運(yùn)行，輥套與輥芯的平均溫差往往還大于10℃，根據(jù)熱膨脹量的理論公式計(jì)算［3］：

也就是說(shuō)，輥套的直徑熱膨脹量比輥芯的大0.129mm。當(dāng)輥套與輥芯之間的裝配過(guò)盈量小于0.129mm時(shí)，輥套與輥芯之間將形成間隙，而原設(shè)計(jì)輥套與輥芯的裝配過(guò)盈量為0.05mm ～0.153mm。實(shí)際安裝前測(cè)量的裝配過(guò)盈量大部分都小于0.129mm，而這部分的輥套也相應(yīng)地出現(xiàn)了松動(dòng)、裂紋甚至斷裂。一旦松動(dòng)，輥套就將產(chǎn)生額外的沖擊力。裝配過(guò)盈量大于0.129mm的，則極少出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，更不存在斷裂現(xiàn)象。

在運(yùn)行中的磨煤機(jī)內(nèi)部溫度由低變高時(shí)，也會(huì)存在與磨煤機(jī)在啟動(dòng)時(shí)沒(méi)有充分預(yù)熱的類似的情況。

2.4 燃煤中含有堅(jiān)硬雜物

珠海發(fā)電廠燃煤質(zhì)量和含量變化大，且輸煤設(shè)備或制粉設(shè)備出現(xiàn)部件損壞，都可能會(huì)造成燃煤中含有煤矸石、鐵塊等雜物。這些雜物會(huì)造成磨輥受到額外的沖擊負(fù)荷，此時(shí)的額外沖擊負(fù)荷往往非常高，這會(huì)加速輥套的損壞。

2.5 輥套受力分析

根據(jù)磨煤機(jī)工作原理可知：磨輥轉(zhuǎn)動(dòng)是靠磨套與磨盤之間煤的摩擦力F1帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的，即磨輥是被動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的，如圖4所示。在輥套與輥芯之間存在間隙δ的情況下，輥套主要是通過(guò)“鍵”把力F1傳送給輥芯，從而帶動(dòng)輥芯一起運(yùn)轉(zhuǎn)，即F1在克服輥芯阻力（即由F2、F3、F4產(chǎn)生的磨擦阻力），使得磨輥運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 磨煤機(jī)輥套受力圖

具體說(shuō)明：

F1：煤作用在輥套切線方向的力；

F2：鍵對(duì)輥套的反作用力；

F3：液壓裝置壓力及磨輥?zhàn)灾刈饔迷谳佁咨系牧Γ?/p>

F4：煤作用在輥套上的垂直方向上的力；

F5：輥套的離心力；

δ：輥套和輥芯之間的間隙。

由圖4可知，輥套主要受到了作用力［4］F1、F2、F3、F4、F5，磨煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，輥套始終以“鍵”銷為死點(diǎn)，在力F1的作用下帶動(dòng)輥芯運(yùn)轉(zhuǎn)；在F1、F2、F3、F4、F5聯(lián)合作用下，輥套在磨芯頂部（實(shí)際是一個(gè)較大的區(qū)域）產(chǎn)生間隙δ；產(chǎn)生間隙δ后，隨著磨輥的運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)間隙轉(zhuǎn)到底部（實(shí)際是一個(gè)區(qū)域）時(shí)，在F1、F2、F3、F4、F5聯(lián)合的作用下，跳到磨輥?lái)敳?，就產(chǎn)生磨輥輥芯在輥套內(nèi)以“鍵”銷為支點(diǎn)進(jìn)行擺動(dòng)，而造成輥套內(nèi)壁磨損、沖擊及間隙δ的逐步增大；當(dāng)燃煤中含有煤矸石、鐵塊等雜物時(shí)，磨輥就受到外界沖擊負(fù)荷，此時(shí)的沖擊負(fù)荷對(duì)輥套及輥芯的影響將進(jìn)一步加大，在沖擊負(fù)荷作用下間隙δ將進(jìn)一步增大。而間隙越大，輥套與輥芯之間的撞擊也越大，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，輥套在交變應(yīng)力的作用下，發(fā)生機(jī)械疲勞損傷，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，最終導(dǎo)致輥套斷裂。同時(shí)由于輥芯外壁與輥套內(nèi)壁的接觸面積只有41.5%，在沖擊力的作用下，輥套內(nèi)壁局部應(yīng)力非常大，與輥芯接觸的內(nèi)壁磨損及變形均加速，也將加快輥套的松動(dòng)，而輥套一旦松動(dòng)，將加速損壞。

3 解決措施

磨煤機(jī)在啟動(dòng)時(shí)暖磨預(yù)熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將會(huì)影響鍋爐效率及機(jī)組負(fù)荷，特別是在危急下啟動(dòng)磨煤機(jī)時(shí)，將更加明顯。在運(yùn)行中，磨煤機(jī)出口溫度的變化在所難免。所以不能僅采用延長(zhǎng)暖磨預(yù)熱時(shí)間的方法解決輥套斷裂問(wèn)題。同時(shí)，燃煤中煤矸石、鐵塊等雜物的含量只能盡可能減少。

因此，只能從磨輥本身的設(shè)計(jì)及制造方面考慮。實(shí)際上，在沒(méi)有松動(dòng)或斷裂的輥套中堆焊層也存在同樣的龜裂、氣孔、夾渣、微裂紋等冶金缺陷，但其實(shí)際裝配過(guò)盈量較大。因此，在制造工藝問(wèn)題上，只要能保持當(dāng)前的水平或略有提高即可，而關(guān)鍵的是磨輥本身的設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題：輥套與輥芯之間的裝配過(guò)盈量偏??；輥芯采用的是“花鍵式”結(jié)構(gòu)，與輥套內(nèi)壁的接觸面積過(guò)小。

從上面的原因分析中可知，只要輥套與輥芯的裝配過(guò)盈量大于0.129mm，就極少出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。因此，在選擇輥套與輥芯的裝配過(guò)盈量［5］的下限值應(yīng)至少大于0.129mm。兼顧考慮在正常使用約12000小時(shí)后，只要拆裝一次，輥套內(nèi)徑也會(huì)增大0.02mm左右；所以根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，裝配過(guò)盈量的下限選用0.15mm，上限選用0.30mm，基本尺寸不變。

輥套與輥芯改造前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，如表1。

表1 輥套與輥芯數(shù)據(jù)

原設(shè)計(jì)中，輥芯與輥套的結(jié)合面為41.5%，由于結(jié)合面非常小，局部應(yīng)力非常大，尤其在輥芯凹槽區(qū)，輥套的應(yīng)力更大；因此在新設(shè)計(jì)的輥芯中，取消凹槽，而其它尺寸不變，使結(jié)合面面積明顯增大。根據(jù)計(jì)算，結(jié)合面已增大到85%以上，如圖3、圖5所示，這大大提高了抗沖擊能力。在輥芯與輥套之間沒(méi)有間隙的情況下，其摩擦面積也就明顯增加，運(yùn)行中將更加穩(wěn)定。

圖5 輥芯與輥套改造前后示意圖

4 結(jié)論

珠海發(fā)電廠12臺(tái)磨煤機(jī)的所有輥芯與輥套在2004年12月前全部進(jìn)行技術(shù)改造，且安裝完畢。磨輥改造后，截至到2016年2月，所有輥套從未出現(xiàn)過(guò)斷裂，可見(jiàn)這次技術(shù)改造非常成功，同時(shí)也為三菱公司及其它相關(guān)公司設(shè)計(jì)制造或技術(shù)改造類似結(jié)構(gòu)的磨輥提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 張力 《鍋爐原理》.第一版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2011.6.

［2］ 潘繼民 《金屬材料化學(xué)成分與力學(xué)性能手冊(cè)》，第一版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.10.

［3］曾正明 《機(jī)械工程材料手冊(cè)-金屬材料》，第七版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.10.

［4］聶毓琴 孟廣偉 《材料力學(xué)》，第二版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.2.

［5］成大先 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，第五版，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2014.11.

Analysis the Alteration of the Roller of the Mill of Zhuhai Power Station

Furong Zhang
（Zhuhai Power Station， Zhuhai， Guangdong， 519000， China）

Abstract：In three years， twenty-six Rollers have been cracked or loosened on the mill of the two Units in Zhuhai power station.The analysis results of fracture surface showed that the main cause of the roller was cracked or loosened.Than we designed many ，methods.By enhancing the magnitude of interference fit and the junction area between the roll core and the roll ring，finally resolved problems.This service life of the roll core and the roll ring has been prolonged.

Key words：Roller Sleeve for Coal Grinding Machine； Crack Alteration； Technical Improvement

中圖分類號(hào)：TM611

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8412 （2016） 02-209-05

DOI：工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.024

作者簡(jiǎn)介：

張富榮（1975-），男，吉林大學(xué)本科畢業(yè)，主任技師，長(zhǎng)期從事大型鍋爐的檢修及管理工作。

E-mail： zhuhaifurong@126.com