環(huán)式碎煤機(jī)軸承振動(dòng)超標(biāo)原因分析及處理

侯可中，劉宏偉

(三河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 三河 065201)

1 問題的提出

環(huán)式碎煤機(jī)是專為火力發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的碎煤機(jī)械，它可以高效、經(jīng)濟(jì)地將原煤破碎到規(guī)定的粒度，同其他類型碎煤機(jī)相比，具有噪聲小、粉塵小、功耗比低等優(yōu)點(diǎn)。適用于破碎抗壓強(qiáng)度不大于12 MPa、表面水分小于15%的煙煤、無(wú)煙煤、褐煤及凍煤，也可供煤炭、建材、化工、輕工、紡織等部門用于破碎中等硬度的脆性物料(如焦炭、爐渣、石灰石等)。碎煤機(jī)傳動(dòng)部分采用交流電動(dòng)機(jī)與限矩型液力耦合器直接連接的方式，傳動(dòng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，可使電動(dòng)機(jī)功率減小20%左右，降低了能耗，減小了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，能隔離機(jī)械沖擊、振動(dòng)，能有效保護(hù)碎煤機(jī)和電動(dòng)機(jī)。

碎煤機(jī)一般由機(jī)殼、機(jī)蓋、轉(zhuǎn)子、篩板架組件、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、襯板組件等部分組成。碎煤機(jī)是輸煤系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其損壞的原因主要為主機(jī)異常振動(dòng)和軸承異常升溫，在常規(guī)情況下，其主要振動(dòng)來源包括轉(zhuǎn)子不平衡或不對(duì)中、環(huán)錘損壞、軸承損壞、減振平臺(tái)減振效果不佳等，但在特殊情況下(即當(dāng)碎煤機(jī)、液力耦合器和電動(dòng)機(jī)無(wú)缺陷、無(wú)異常、非常穩(wěn)定的情況下)，導(dǎo)致振動(dòng)增大的主要原因是減振平臺(tái)減振失靈。

2 軸承振動(dòng)超標(biāo)的原因分析

三河發(fā)電有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱三河發(fā)電公司)2臺(tái)環(huán)式碎煤機(jī)基礎(chǔ)是采用彈簧加阻尼器組成的減振隔振平臺(tái)(如圖1所示)，其設(shè)計(jì)原理是將碎煤機(jī)碎煤振動(dòng)進(jìn)行減振和隔振，以減小基礎(chǔ)設(shè)施受到的振動(dòng)損害，利用彈簧和阻尼裝置可實(shí)現(xiàn)該功能效果。但通過實(shí)踐檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，彈簧和阻尼裝置所起的作用只對(duì)減振平臺(tái)以下部分產(chǎn)生隔振效果，而不能抑制和減小其上部承托的機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)，相反，彈簧本身的彈性振顫使碎煤機(jī)和電動(dòng)機(jī)振動(dòng)被放大。

圖1 采用彈簧加阻尼減振隔振裝置

將碎煤機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間的液力耦合器拆開，單獨(dú)試轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，其軸承雙振幅振動(dòng)值只有0.01 mm；將電動(dòng)機(jī)與碎煤機(jī)通過液力耦合器連接在一起進(jìn)行空載和重載試驗(yàn)，其軸承雙振幅振動(dòng)值達(dá)到0.07～0.15 mm，振動(dòng)值被放大7～15倍。碎煤機(jī)轉(zhuǎn)子在動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)上振動(dòng)值是0.03 mm，安裝在具有減振平臺(tái)的碎煤機(jī)上進(jìn)行空載和重載試驗(yàn)，其軸承雙振幅振動(dòng)值達(dá)到0.09～0.21 mm，振動(dòng)值被放大3～7倍。試驗(yàn)證明，應(yīng)用減振平臺(tái)，不但碎煤機(jī)和電動(dòng)機(jī)軸承垂直振幅被放大，水平雙振幅也被放大，振動(dòng)值也非常不穩(wěn)定，究其原因?yàn)殇搹椈杀旧碜枘嵯禂?shù)極小(只有0.005 N/(m·s-1))，以至于振動(dòng)時(shí)傳遞率非常大，螺旋彈簧即使承受較小的軸向壓縮載荷作用,也容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，產(chǎn)生搖擺水平振動(dòng)。由于每臺(tái)碎煤機(jī)基礎(chǔ)減振平臺(tái)安裝有16個(gè)彈簧阻尼隔振裝置，即使都是同一個(gè)廠家制造，彈簧剛度也不可能完全一致，即使有阻尼裝置的輔助作用，也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行中振動(dòng)值發(fā)生較大偏差。如圖2所示，由于碎煤機(jī)重心和基礎(chǔ)減振平臺(tái)的重心出現(xiàn)偏差，使各個(gè)彈簧所承受的壓力不均衡，導(dǎo)致碎煤機(jī)振動(dòng)加劇。同時(shí)，由于減振平臺(tái)的干擾，使得本由機(jī)械設(shè)備、軸承、轉(zhuǎn)子損壞等原因而導(dǎo)致的軸承振幅增加被混淆，致使延誤事故處理的最佳時(shí)間。

圖2 碎煤機(jī)重心和減振平臺(tái)重心偏差

3 設(shè)置彈簧阻尼減振平臺(tái)的可行性分析

3.1 是否需要設(shè)置彈簧阻尼減振平臺(tái)

設(shè)計(jì)碎煤機(jī)減振平臺(tái)的主要目的是減小碎煤機(jī)振動(dòng)對(duì)整個(gè)碎煤機(jī)樓的緩慢破壞，以提高系統(tǒng)設(shè)備和基礎(chǔ)的壽命，實(shí)際運(yùn)行中也確實(shí)起到了這個(gè)作用。但如上文所述，減振平臺(tái)在保護(hù)基礎(chǔ)的同時(shí)，卻對(duì)設(shè)備的軸承振動(dòng)沒有起到減振效果，相反，使環(huán)式碎煤機(jī)軸承振動(dòng)值增加數(shù)倍。那么為何要設(shè)計(jì)減振平臺(tái)？是基礎(chǔ)重要還是設(shè)備重要？如果以損傷設(shè)備、忽視設(shè)備安全為代價(jià)，設(shè)計(jì)制造減振平臺(tái)是毫無(wú)意義的，它所導(dǎo)致的振動(dòng)值的增加將加劇機(jī)械設(shè)備軸承的損壞，縮短機(jī)械設(shè)備軸承的使用壽命，大大增加檢修和運(yùn)行維護(hù)工作量，增加投資成本。所以，環(huán)式碎煤機(jī)基礎(chǔ)不應(yīng)設(shè)置彈簧阻尼減振平臺(tái)。

3.2 環(huán)式碎煤機(jī)破碎物料內(nèi)力和外力分析

碎煤機(jī)械的破碎是用外力施于被破碎的物料上，克服物料顆粒之間的內(nèi)聚力使物料破碎。物料的內(nèi)聚力有2種，一種作用于晶體內(nèi)部的各質(zhì)點(diǎn)之間，另一種作用于晶體與晶體之間的晶體界面上。2種內(nèi)聚力的物理性質(zhì)相同，區(qū)別在于內(nèi)聚力的大小，前者比后者大很多倍。內(nèi)聚力的大小取決于物料中晶體本身的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，也與晶體結(jié)構(gòu)中所具有的錯(cuò)位和微裂紋等缺陷有很大關(guān)系。如果選擇從晶體物料的缺陷處破碎，不僅能省功，而且能保證達(dá)到要求的粒度，減少過粉碎，達(dá)到這樣的破碎目的叫“選擇性破碎”。

實(shí)現(xiàn)選擇性破碎，被破碎的物料應(yīng)在體積料層中承受全方位的擠壓，同時(shí)在晶體或微晶邊緣引發(fā)應(yīng)力，料塊應(yīng)承受組合負(fù)荷作用，其中包括剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)，最好還兼有拉伸。對(duì)于破碎機(jī)而言，物料在破碎腔中應(yīng)承受全方位擠壓，料塊彼此多次沖擊或沖擊到襯板上，料塊群快速轉(zhuǎn)移，控制料層有一定密實(shí)度，并使物料從破碎腔入口到出口均受到破碎力的擠壓。

以三河發(fā)電公司為例，計(jì)算環(huán)錘作用在煤塊之上的最大作用力F。翻車機(jī)振動(dòng)斜蓖尺寸為370 mm×370 mm，進(jìn)入碎煤機(jī)最大煤塊的質(zhì)量約為64 kg，如圖3所示，F(xiàn)1為環(huán)錘作用在煤塊上的作用力，F(xiàn)2為煤塊作用在環(huán)錘之上的作用力。根據(jù)作用力與反作用力相等的原理，F(xiàn)1=F2=F。已知KRC12×26型環(huán)式碎煤機(jī)轉(zhuǎn)子直徑為1.2 m，環(huán)錘線速度為47.1 m/s，環(huán)錘與煤塊之間的作用時(shí)間t=0.02 s,由圖3可知，煤塊在圓周方向的初始切向速度應(yīng)該為0，即環(huán)錘與煤塊撞擊前，煤塊初速度v1=0，而撞擊之后，被撞碎煤塊的速度至少等于環(huán)錘速度，即煤塊末速度v2=47.1 m/s，根據(jù)沖擊原理：Ft=mv2-mv1，得到F=15 072 (N)，即煤塊作用在環(huán)錘上的最大反作用力與環(huán)錘作用在煤塊上的最大作用力均應(yīng)達(dá)到15 072 N。這種大煤塊只是偶爾出現(xiàn)，絕大部分原煤都是細(xì)小煤塊或煤粒，其作用在環(huán)錘上的力也是很小的，同時(shí)由于這種作用力是作用在環(huán)式碎煤機(jī)的內(nèi)部，均勻分布在轉(zhuǎn)子圓周的4排34個(gè)環(huán)錘幾乎同時(shí)在破碎煤塊，它們之間的相互作用力很大一部分通過轉(zhuǎn)軸相互抵消，屬于相互作用的內(nèi)力，其對(duì)外所顯露出來的振動(dòng)程度并不顯著，實(shí)際運(yùn)行期間觀察也是如此。實(shí)踐結(jié)果表明，環(huán)式碎煤機(jī)實(shí)際運(yùn)行期間對(duì)基礎(chǔ)振動(dòng)損壞是很小的，根本不需要設(shè)置減振平臺(tái)。

圖3 KRC環(huán)式碎煤機(jī)斷面結(jié)構(gòu)

4 防止環(huán)式碎煤機(jī)振動(dòng)值超標(biāo)的方法

為了有效防止環(huán)式碎煤機(jī)軸承振動(dòng)超標(biāo)，結(jié)合碎煤機(jī)制造商的推薦意見和三河發(fā)電公司的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，作者認(rèn)為，防止環(huán)式碎煤機(jī)振動(dòng)值超標(biāo)的最有效方法是環(huán)式碎煤機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)該采用具有一定質(zhì)量和強(qiáng)度、獨(dú)島運(yùn)行的鋼筋混凝土基礎(chǔ)。這種基礎(chǔ)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)沉重且剛性好的鋼筋混凝土基礎(chǔ)可增加承載機(jī)器的有效質(zhì)量；(2)由于穩(wěn)定性好、剛性強(qiáng)，不會(huì)放大軸承振動(dòng)值，而是較真實(shí)地反映振動(dòng)值；(3)提高阻抗，使機(jī)器安裝牢固；(4)減少振動(dòng)，減少機(jī)器不平衡力的作用；(5)降低重心，增加穩(wěn)定性；(6)降低固有頻率；(7)有效延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備軸承的使用壽命，降低檢修及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

5 結(jié)論

多年以來，環(huán)式碎煤機(jī)一直使用減振平臺(tái)來保護(hù)基礎(chǔ)，減少碎煤機(jī)樓的緩慢損壞，而實(shí)際應(yīng)用效果卻是碎煤機(jī)軸承實(shí)際振動(dòng)值比設(shè)計(jì)值增大數(shù)倍，并以實(shí)際振動(dòng)值來編制運(yùn)行規(guī)程，指導(dǎo)運(yùn)行工作。例如三河發(fā)電公司輸煤運(yùn)行規(guī)程規(guī)定環(huán)式碎煤機(jī)軸承座振動(dòng)值不大于0.15 mm，根據(jù)DL/T 512—1993《KRC系列環(huán)錘式碎煤機(jī)》的規(guī)定，碎煤機(jī)主軸軸承座空載最大振幅值應(yīng)不大于0.03 mm，若采用減振平臺(tái)，環(huán)式碎煤機(jī)空載最大振幅值將是電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值的數(shù)倍，縮短設(shè)備使用壽命，浪費(fèi)大量的檢修維護(hù)費(fèi)用；若采用鋼筋混凝土基礎(chǔ)，基于這種基礎(chǔ)不會(huì)放大振動(dòng)值的性能，環(huán)式碎煤機(jī)空載最大振幅值不會(huì)超過0.05 mm。由此可以得出結(jié)論：環(huán)式碎煤機(jī)本身的實(shí)際振動(dòng)值比較小，對(duì)基礎(chǔ)的破壞作用不顯著，不需要應(yīng)用減振平臺(tái)，而應(yīng)采用具有一定質(zhì)量和強(qiáng)度的鋼筋混凝土基礎(chǔ)，以減少振動(dòng)，減少維護(hù)工作，延長(zhǎng)環(huán)式碎煤機(jī)的使用壽命。

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