環(huán)錘式碎煤機(jī)配套設(shè)備選型設(shè)計(jì)*

張智榮

（臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 臨汾 041000）

環(huán)錘式碎煤機(jī)是發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)中重要的輔機(jī)設(shè)備，它可以有效且經(jīng)濟(jì)地將原煤破碎至規(guī)定的粒度，以供鍋爐使用。電動(dòng)機(jī)、液力偶合器、轉(zhuǎn)子軸承是碎煤機(jī)重要的配套設(shè)備，是碎煤機(jī)高效運(yùn)行的保障。如何正確選用設(shè)計(jì)碎煤機(jī)的配套設(shè)備，是課題組探討的問題。

1 碎煤機(jī)配套電動(dòng)機(jī)選用

YKK系列三相異步電動(dòng)機(jī)通過限矩型液力偶合器作為中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，與碎煤機(jī)相連。采用全封閉、空-空冷卻YKK系列電動(dòng)機(jī)，比普通Y系列電機(jī)防護(hù)等級(jí)更高、絕緣性能更好（一般Y系列電機(jī)只能達(dá)到IP44，而YKK系列電機(jī)可輕松達(dá)到IP54），更能適應(yīng)輸煤系統(tǒng)惡劣的工作環(huán)境[1]。

1.1 電動(dòng)機(jī)選用原則

電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與環(huán)錘式碎煤機(jī)的運(yùn)行條件和維護(hù)要求一致。電動(dòng)機(jī)的特性曲線（特別是負(fù)載特性曲線）應(yīng)完全滿足環(huán)錘式碎煤機(jī)的要求。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在設(shè)計(jì)條件下時(shí)，電動(dòng)機(jī)的銘牌出力不小于拖動(dòng)設(shè)備的115%。電動(dòng)機(jī)防護(hù)等級(jí)不低于IP54，具有F級(jí)及以上的絕緣，溫升不應(yīng)超過B級(jí)絕緣使用的溫升值。電機(jī)繞組應(yīng)經(jīng)真空浸漬處理（VPI）。電壓和頻率同時(shí)變化，二者變化分別不超過±5%和±1%時(shí)，電動(dòng)機(jī)能帶額定功率；當(dāng)頻率為額定，且電源電壓與額定值的偏差不超過±5%時(shí)，電動(dòng)機(jī)能輸出額定功率；當(dāng)電壓為額定，且電源頻率與額定值的偏差不超過±1%時(shí)，電動(dòng)機(jī)亦能輸出額定功率[2]。在額定電壓下，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)不大于6.0。

1.2 電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)選型

由于碎煤機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性以及碎煤機(jī)工作時(shí)碎煤料在機(jī)體破碎室內(nèi)的各種狀態(tài)不穩(wěn)定，對(duì)碎煤機(jī)破碎煤塊有影響的全部因素很難完全考慮，并且功率與給料塊度、排料粒度、煤質(zhì)狀況、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等諸多因素有關(guān)，煤塊在碎煤機(jī)破碎腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，所以難以準(zhǔn)確地計(jì)算碎煤機(jī)所需的功率[3]。為了求出環(huán)錘式碎煤機(jī)所耗功率，除計(jì)算其生產(chǎn)率時(shí)的假設(shè)外，課題組還假設(shè)煤的抗壓強(qiáng)度極限近似等于破壞應(yīng)力，而且作用于煤塊上的作用力、靜載荷或動(dòng)載荷均相同。煤塊在破碎過程中與機(jī)內(nèi)零件的摩擦忽略不計(jì)（因?yàn)楦鶕?jù)機(jī)內(nèi)構(gòu)造，克服此摩擦所需的能量與碎煤機(jī)所消耗的能量相比相差很大）。

1.2.1初定碎煤機(jī)所需功率

1）比功耗法。比功耗是破碎一噸煤所消耗的電能，即：

式中，N為功率，kW；Q為生產(chǎn)率，t/h。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，環(huán)錘式碎煤機(jī)的比功耗一般為0.4~0.5，取K=0.4，則電機(jī)功率：

2）按碎煤機(jī)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中，D為轉(zhuǎn)子直徑，m；L為轉(zhuǎn)子工作長(zhǎng)度，m；Na為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；K為過載系數(shù)，1.15~1.35，取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為0.14，過載系數(shù)K=1.3，則電機(jī)功率：

上述兩種計(jì)算結(jié)果比較接近，暫取Nm=240 kW，由于采用了液力偶合器，它本身耗能4%，故選取電機(jī)功率為：

1.2.2核算電機(jī)起動(dòng)功率

由于碎煤機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（飛輪矩）GD2很大，當(dāng)碎煤機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，又選定了電動(dòng)機(jī)和液力偶合器，即可在傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算中校核電機(jī)的起動(dòng)功率[4]。

1）轉(zhuǎn)子靜態(tài)力矩Ma計(jì)算。

轉(zhuǎn)子靜態(tài)力矩等于轉(zhuǎn)子自重在兩軸承中產(chǎn)生的摩擦力矩，于是：

式中，R為兩軸承的徑向負(fù)荷，即為轉(zhuǎn)子重量，kgf；r為軸承內(nèi)半徑，m；f為摩擦系數(shù)，對(duì)于雙列向心球面滾子軸承，f=0.001 8~0.002 5。

2）轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)力矩Mb計(jì)算。

機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)部分折算到電機(jī)軸上的飛輪矩GD2為：

式中，GDa2為碎煤機(jī)轉(zhuǎn)子的飛輪矩，kgf·m2；GDb2為限矩型液力偶合器的飛輪矩，kgf·m2；na為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

YOX750型偶合器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

則飛輪矩為：

轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)力矩Mb按下列公式計(jì)算：

式中，t為電機(jī)起動(dòng)時(shí)間，5 s~30 s。

3）電機(jī)軸上的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩M：

4）所需電機(jī)的起動(dòng)功率Nm″：

式中，ηa為電動(dòng)機(jī)的效率。因?yàn)樵O(shè)計(jì)選定的電機(jī)功率Nm′=250 kW，所以Nm″＜Nm′，因此，電動(dòng)機(jī)有足夠的起動(dòng)功率。電動(dòng)機(jī)參數(shù)具體如表1所示。

表1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)

2 碎煤機(jī)配套液力偶合器選用

采用低轉(zhuǎn)速、大功率限矩型液力偶合器傳動(dòng)，既可保護(hù)電機(jī)，又可減小起動(dòng)電流，還可隔離扭振，增強(qiáng)運(yùn)行的平穩(wěn)性。特別是加裝溫升報(bào)警裝置后，當(dāng)阻力達(dá)到悶車值時(shí)，先發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并輸入監(jiān)控盤，經(jīng)處理放大、聲光報(bào)警的同時(shí)向集控或程控輸出跳閘信號(hào)，進(jìn)而斷電跳閘，既保護(hù)了電機(jī)，又克服了液力偶合器以往靠噴油保護(hù)電機(jī)的缺陷[5-6]。

2.1 限矩型液力偶合器結(jié)構(gòu)及工作原理

YOX限矩型液力偶合器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主動(dòng)部分包括主動(dòng)聯(lián)軸節(jié)1、彈性塊2、從動(dòng)聯(lián)軸節(jié)3、后輔腔6、泵輪8、外殼9等，從動(dòng)部分包括主軸13、渦輪10等。主動(dòng)部分與電動(dòng)機(jī)連接，從動(dòng)部分與碎煤機(jī)連接。該偶合器為動(dòng)壓泄壓式單腔外輪的限矩型液力偶合器。

圖1 限矩型液力偶合器結(jié)構(gòu)

偶合器的泵輪和滑輪具有徑直葉輪片，型腔內(nèi)充有液體。兩輪之間為柔性連接。當(dāng)泵輪隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力作用下，迫使工作油沿徑向葉片間隙向型腔外緣流道流動(dòng)，而獲得動(dòng)能，又高速高壓沖擊滑輪葉片，轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)碎煤機(jī)旋轉(zhuǎn)，在偶合器型腔內(nèi)形成液流的循環(huán)圓，靠近上部為小循環(huán)，靠近外部為大循環(huán)。泵輪為離心式葉輪，滑輪為向心式葉輪[7]。

動(dòng)壓泄壓式偶合器具有前輔腔和后輔腔，在額定工況時(shí)，循環(huán)圓中的液體較多，作小循環(huán)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外載荷增加時(shí)，泵輪與滑輪轉(zhuǎn)差率加大，液流作大循環(huán)流動(dòng)?；喌囊毫髟趧?dòng)壓作用下，較快地流進(jìn)前輔腔，并進(jìn)入后輔腔。而循環(huán)圓中的液體減少，使扭矩限制在一定范圍內(nèi)，所以補(bǔ)助腔是用來自動(dòng)調(diào)節(jié)循環(huán)圓中的充液量的，以達(dá)到限制扭矩的目的。

2.2 YOX750限矩型液力偶合器的選型計(jì)算

2.2.1匹配原則

1）應(yīng)使液力偶合器的設(shè)計(jì)工況與電動(dòng)機(jī)的額定工況點(diǎn)相重合，以保證傳動(dòng)系統(tǒng)的高效率。

2）應(yīng)使偶合器i=0的輸入特性曲線交于電機(jī)尖峰力矩右側(cè)的穩(wěn)定工況區(qū)段，以此保證電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3）使碎煤機(jī)、偶合器、電動(dòng)機(jī)的額定功率依次遞增5%左右，保證動(dòng)力充足。

4）使偶合器的起動(dòng)過載系數(shù)小于電機(jī)的力矩過載系數(shù)，確保限矩性能。

2.2.2選型計(jì)算

由于缺少電動(dòng)機(jī)和偶合器的第一手特性曲線資料，尚難進(jìn)行細(xì)致的匹配計(jì)算和繪圖，為此基本遵循匹配原則，通過計(jì)算選型匹配液力偶合器[8]。

1）輸入功率和轉(zhuǎn)速：偶合器泵輪的功率、扭矩、轉(zhuǎn)速與電機(jī)的功率、扭矩和轉(zhuǎn)速相同。即NB=250 kW，TB=246.71 kgf·m，nb=987 r/min。其中，NB為偶合器泵輪的功率；TB為偶合器泵輪的扭矩；nb為偶合器泵輪的轉(zhuǎn)速。

2）額定轉(zhuǎn)速比和效率：為保證額定工況點(diǎn)的高效率，一般取偶合器的額定轉(zhuǎn)速比in≥0.95~0.985（其轉(zhuǎn)速比i=nT/nb，nT為滑輪轉(zhuǎn)速，nb為泵輪轉(zhuǎn)速）。查資料圖，充油率qc=70%的有后輔腔液力偶合器原始特性曲線，得：當(dāng)in=0.96時(shí)，泵輪的扭矩系數(shù)λn=1.45×10-6min2/m·r2。它標(biāo)志著該元件傳遞扭矩的能力。

當(dāng)不計(jì)摩擦損失時(shí)，限矩型偶合器的機(jī)械效率等于轉(zhuǎn)速比，即：

3）確保限矩性能：當(dāng)限矩型液力偶合器與籠型電動(dòng)機(jī)匹配時(shí)，為了確保偶合器的限矩性能，偶合器的最大過載系數(shù)應(yīng)滿足下式要求：

式中，Tgmax為偶合器的最大過載系數(shù)；λmax為偶合器的最大扭矩系數(shù)；λn為額定工況下的扭矩系數(shù)；K為電動(dòng)機(jī)的最大過載系數(shù)；nan為電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速；namax為電動(dòng)機(jī)在最大扭矩時(shí)的轉(zhuǎn)速。

YKK400-6籠型異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)為：K=3.07，na=987 r/min，TH=2 476.71 kgf·m，Tmax=510.7 kgf·m。

在臨界扭矩點(diǎn)（Tmax）時(shí)，轉(zhuǎn)速下降10%~12%，則：

由偶合器充油率qc=70%的起動(dòng)加速原始特性曲線得：當(dāng)轉(zhuǎn)速比I=0.91時(shí)，最大扭矩系數(shù)λmax=2.3×106。

1.586＜2.56，符合上式要求。即在臨界扭矩點(diǎn)，該偶合器的最大過載系數(shù)小于電機(jī)的最大過載能力，保證偶合器具有限矩性能。

4）偶合器工作腔的有效直徑：

式中，γ為20#透平油的重度，γ=830 kg/m3，其他參數(shù)見上文。

按偶合器的有效直徑優(yōu)先數(shù)圓整（GB/T 5837—2008《液力偶合器 型式和基本參數(shù)》），Ds=750 mm，選定YOX750限矩型液力偶合器。其主要技術(shù)參數(shù)如下。

輸入轉(zhuǎn)速：nB=1 000 r/min（同步轉(zhuǎn)速）；傳遞功率范圍：170 kW~330 kW；過載系數(shù)：Tg=2~2.5；效率：η=0.96；外形尺寸：D×A=φ860 mm×570 mm；充油量：Qmin=34 L，Qmax=68 L。

5）校核起動(dòng)過載能力：由參考資料可查得，當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速nT=0，轉(zhuǎn)速比I=0的零工況下，起動(dòng)扭矩系數(shù)λQ=1.75×10-6min2/m·r2，則偶合器的起動(dòng)過載系數(shù)：

而YKK400-6電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過載系數(shù)K起=1.2，所以TgQ=K起，故該偶合器對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過載能力是適宜的。

限矩型液力偶合器參數(shù)具體如表2所示。

表2 限矩型液力偶合器參數(shù)

2.3 YOX750偶合器的充油量

2.3.1工作油的品質(zhì)

偶合器的工作油，應(yīng)具有較低的黏度及較大的重度，高閃點(diǎn)，低凝點(diǎn)，耐老化，腐蝕性小。綜合考慮工作油的品質(zhì)如下。

運(yùn)動(dòng)粘度：υ=32 mm2/s；重度：γ=0.83 g/cm3~0.86 g/cm3；閃點(diǎn)：＞180 ℃；凝點(diǎn)：＜-10 ℃。推薦采用32#或46#透平油。

2.3.2充油量

偶合器型腔內(nèi)充液量的多少用充液率表示，充液率公式：

式中，Q0為循環(huán)圓全充滿時(shí)的充液量；Q為循環(huán)圓實(shí)際充液量。通過計(jì)算，最大充油量為：

32#透平油的重度γ=0.83 kg/dm3=0.83 kg/L，故又Q=0.83×52.893=43.901 kg，即該偶合器的充油量不能超過44 kg。

2.3.3易熔塞及油溫報(bào)警裝置

當(dāng)碎煤機(jī)過載時(shí)，偶合器渦輪停轉(zhuǎn)，泵輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的機(jī)械能全部轉(zhuǎn)換成熱能，工作油的溫度急劇上升，當(dāng)接近134 ℃，易熔塞的低熔點(diǎn)合金熔化（熔點(diǎn)為130 ℃~138 ℃），離心力作用下徑向噴油而切斷傳動(dòng)[9]。

3 滾動(dòng)軸承的選擇及計(jì)算

3.1 選擇軸承

1）估測(cè)軸承的計(jì)算壽命。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一般碎煤機(jī)為三班制工作。每天平均運(yùn)行10 h左右，每月工作27天，除大修及停機(jī)外，每年凈運(yùn)行10個(gè)月，則碎煤機(jī)每年實(shí)際運(yùn)行時(shí)數(shù)為[10]：10×27×10=2 700h?？紤]運(yùn)行2年進(jìn)行更換，故軸承的計(jì)算壽命：

2）計(jì)算額定功負(fù)荷，選擇軸承型號(hào)，且校驗(yàn)額定靜負(fù)荷。由計(jì)算壽命Lh=5 400 h，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，得壽命系數(shù)fh=2.04；由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=950.4 r/min。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，并且用反比例中插法計(jì)算速度系數(shù)：

由軸承中等沖擊負(fù)荷，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，得負(fù)荷系數(shù)fF=1.5；由軸承的工作溫度小于100 ℃，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，得溫度系數(shù)fT=1。因軸承僅承受純徑向載荷，故當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷為：

因此，軸承的額定動(dòng)負(fù)荷為：

按C=CA=91 173 kgf，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，得22330CC/C3W33軸承能滿足使用要求，即選定該型號(hào)軸承。

3）軸承的實(shí)際預(yù)期壽命。軸承22330CC/C3W33的參數(shù)：與實(shí)際接觸角β有關(guān)的參數(shù)e=0.36。據(jù)此，該接觸角為：

當(dāng)Fa/Fr≤e時(shí)，徑向系數(shù)X=1，軸向系數(shù)Y=1.9。因?yàn)檩S向載荷Fa=0，所以Fa/Fr=0/10 905=0＜e。因此：

故左、右兩軸承的實(shí)際預(yù)期壽命為：

式中，ε為壽命指數(shù)，對(duì)于滾子軸承，ε=10/3。

3.2 G級(jí)精度22330CC/C3W33軸承的配合性質(zhì)

由GB/T 307.3—2017《滾動(dòng)軸承 通用技術(shù)規(guī)則》可知，G級(jí)精度22330CC/C3W33雙列向心球面滾子軸承的內(nèi)徑和外徑的制造公差及其檢驗(yàn)的平均尺寸和允許誤差，又根據(jù)碎煤機(jī)的軸與內(nèi)圈、軸承座與外圈的配合[11]進(jìn)行計(jì)算。

3.2.1內(nèi)圈與軸

1）由軸承檢驗(yàn)的平均內(nèi)徑和公差計(jì)算。

內(nèi)圈與軸平均過盈：

內(nèi)圈與軸配合公差：

2）由軸承內(nèi)圈的制造公差計(jì)算。

內(nèi)圈與軸平均過盈：

內(nèi)圈與軸配合公差：

3.2.2外圈與軸承座

1）由軸承檢驗(yàn)的平均外徑和公差計(jì)算。

外圈與軸承座平均過盈：

外圈與軸承座平均間隙：

外圈與軸承座配合公差：

2）由軸承外圈的制造公差計(jì)算。

外圈與軸承座平均過盈：

外圈與軸承座平均間隙：

外圈與軸承座配合公差：

由此可知，基本組G級(jí)精度22330CC/C3W33軸承的名義過盈量，即內(nèi)圈：Y=0.09 mm，外圈Y=0.02 mm。

3.3 潤(rùn)滑脂的更換周期

即換油時(shí)間大致為每8個(gè)月?lián)Q一次。

4 結(jié)束語

課題組以HCSC6碎煤機(jī)為例，采用理論計(jì)算及類比經(jīng)驗(yàn)法，給出了配套電機(jī)、液力偶合器、轉(zhuǎn)子軸承的選型設(shè)計(jì)方法，為碎煤機(jī)的高效運(yùn)行提供保障。