雙進雙出鋼球磨煤機螺旋推進器支撐桿斷裂的分析

上海神開石油測控技術有限公司 上海 201114

1 雙進雙出鋼球磨煤機概述

制粉系統(tǒng)的磨煤機作為電廠關鍵設備,負責給鍋爐提供燃料,其安全穩(wěn)定運行對整個機組有至關重要的作用,部分火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)的磨煤機采用雙進雙出鋼球磨煤機。如圖1所示,雙進雙出鋼球磨煤機的結(jié)構(gòu)主要包含給煤機、落煤管、螺旋輸送器、筒體、分離器等部件,其制粉原理如下:原煤由給煤機輸送到落煤管,落入螺旋推進器的端盤側(cè);在螺旋推進器螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)推進作用下,原煤送入磨煤機筒體中;筒體中的鋼球?qū)⒃浩扑槟肽コ煞?通過熱風將煤粉輸送到煤粉分離器;分離器對粗細煤粉進行分離,合格細度的煤粉吹入鍋爐燃燒,不合格細度的煤粉返回到磨煤機中繼續(xù)研磨[1-2]。

雙進雙出鋼球磨煤機螺旋推進器的結(jié)構(gòu)通道,既是原煤輸入通道,也是煤粉輸出通道,承載力大,磨損嚴重,設備運行溫度較高,工況惡劣,是一種易損設備。在使用中一直存在多方面的問題,檢修工作量繁重,備件更換頻繁,熱風和煤粉泄露嚴重,對機組安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行存在較大影響[3-4]。

2 螺旋推進器結(jié)構(gòu)

如圖2所示,螺旋推進器主要包含軸承座、螺旋葉片、中心管、中空管、筒體襯板和支撐桿。其中,四片螺旋葉片同軸均布在中心管外側(cè),每片螺旋葉片通過環(huán)形掛鏈連接到中心管上,螺旋葉片徑向可收縮,軸向可以竄動;支撐桿共有四根,呈圓周方向均布,每根支撐桿不帶螺紋的一端伸進筒體襯板的孔窩內(nèi),車制螺紋的另一端則通過雙螺母與筒體連接固定;中心管的一端通過中心軸支撐在位于熱風盒上的軸承座上,另一端通過四根支撐桿支撐在筒體內(nèi)壁上;中心管的內(nèi)部為熱風進風通道,中心管外壁與中空管內(nèi)壁之間形成的環(huán)形間隙,底部為原煤進入筒體的通道,上部為研磨后的煤粉輸出通道。

圖2 螺旋推進器結(jié)構(gòu)

3 螺旋推進器工作原理

當雙進雙出鋼球磨煤機筒體旋轉(zhuǎn)的同時,通過四根支撐桿帶動中心管和螺旋葉片一起旋轉(zhuǎn),依靠螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)推動作用,將位于螺旋推進器端盤側(cè)的原煤從底部環(huán)形通道輸送到筒體內(nèi)部。在螺旋推進器的傳動系統(tǒng)中,對螺旋葉片巨大的驅(qū)動力是由四根支撐桿來傳遞的,因此支撐桿結(jié)構(gòu)的合理性、強度的高低、運行狀況的優(yōu)劣直接影響到磨煤機是否能夠正常運行,進而對整個制粉系統(tǒng)和機組的運行產(chǎn)生影響[5-6]。

4 螺旋推進器支撐桿使用現(xiàn)狀

經(jīng)充分調(diào)研和電廠用戶的反饋情況,雙進雙出鋼球磨煤機的螺旋推進器支撐桿在使用過程中經(jīng)常發(fā)生斷裂,其使用壽命往往只有兩三個月。為了提高支撐桿使用壽命,有些電廠通過更換材料來解決,將原來的設計選用材料35CrMo替換成42CrMo或者其它強度更高的材料,但是效果不佳。另一些電廠通過增加支撐桿的數(shù)量,從原來的四根增加到了八根,雖然總體使用壽命略微有所增加,但是由于支撐桿數(shù)量增多,將原來的出粉通道的面積占據(jù)了,因而提升了通風阻力,從而減弱了磨煤機的煤粉出力,還有一些電廠增加支撐桿的直徑,也僅僅略微延長其使用壽命。以上措施并未能從根本上解決支撐桿容易斷裂的問題,為此需要對支撐桿的受力情況進行分析[7]。

5 螺旋推進器支撐桿受力分析

5.1 螺旋推進器自身重力作用在支撐桿上的力

螺旋推進器兩端分別由軸承座和支撐桿支承,如圖2所示,此時支撐桿的受力分析如圖3所示,根據(jù)力矩平衡原理,有:

F1L1=GL2

(1)

式中:F1為支撐桿對螺旋推進器產(chǎn)生的豎直方向作用力;G為螺旋推進器自身的重力;L1為F1作用點到F2作用點的距離;L2為重力G作用點到F2作用點的距離。

圖3 螺旋推進器自重作用下受力分析

根據(jù)式(1),則有F1為:

F1=GL2/L1

(2)

根據(jù)作用力與反作用力的原理,可知四根支撐桿承受螺旋推進器產(chǎn)生豎直向下的力等于F1。支撐桿的端部頂在筒體襯板孔窩內(nèi),如圖4所示,因為接觸面與支撐桿的軸向垂直,此時下部的支撐桿只承受軸向力,不承受徑向力,且只有位于下部的兩根支撐桿1、支撐桿2受到F1產(chǎn)生的軸向力,位于上部的兩根支撐桿3、支撐桿4不受力。其中支撐桿1受到的軸向力f為:

f=F1cosα

(3)

式中:α為支撐桿1與豎直方向的夾角。

圖4 螺旋推進器自重作用下支撐桿軸向受力分析

支撐桿2受到的軸向力f′為:

f′=F1sinα

(4)

式中:α為支撐桿1與豎直方向的夾角。

由式(3)和式(4)可知,當α=0°時支撐桿1承受的軸向力最大為F1,支撐桿2受到的軸向力為0,支撐桿3、支撐桿4受到的軸向力均為0。

5.2 原煤受力作用在支撐桿上的力

螺旋推進器隨筒體旋轉(zhuǎn)時,由于螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)推進作用,中空管和螺旋推進器之間的原煤分布呈圖5所示狀態(tài),則原煤流量Q為:

Q=0.9srt

(5)

式中:s為截面上原煤面積;t為螺旋葉片的螺距;r為筒體轉(zhuǎn)速。

則原煤的截面積s為:

s=Q/(0.9rt)

(6)

則原煤重力G1為:

G1=QL/(rt)

(7)

式中:L為原煤流的長度。

根據(jù)力矩平衡原理,有:

G1L4=4f1L5

(8)

式中:L4為原煤質(zhì)心到推進器中心豎直平面的距離;f1為原煤堆對支撐桿產(chǎn)生的切向力;L5為切向力f1到螺旋推進器中心豎直平面的距離。

根據(jù)式(8),可以求得單根支撐桿承受的力f1為:

f1=G1L4/(4L5)=G1L3sinβ/(4L5)

(9)

式中:L3為原煤質(zhì)心與螺旋推進器截中心管軸線的距離;β為原煤質(zhì)心與螺旋推進器圓心的連線與豎直方向的夾角。

式(9)中L3及β的具體數(shù)值較難確定,由于原煤質(zhì)心與中心管軸線的距離L3始終小于中心管的內(nèi)徑R,且β=90°時,sinβ=1,所以有:

f1=G1L3sinβ/(4L5)

(10)

一般計算時,取:

f1=G1R/(4L5)

(11)

如圖5所示,螺旋葉片克服摩擦力將原煤沿螺旋推進器軸向推入筒體內(nèi),原煤安息角φ(安息角指的是散料堆放停止自然溜下的一種臨界狀態(tài),也稱休止角)一般取34°,則單根支撐桿因原煤軸向運動產(chǎn)生的剪切力f2為:

f2=(G1sinφ)/4

(12)

圖5 原煤作用下支撐桿受力分析

5.3 軸承作用在支撐桿上的力

如圖2、圖3所示,螺旋推進器左端由一個調(diào)心滾子軸承支承,設軸承摩擦因數(shù)為0.004,軸承內(nèi)徑為R1,根據(jù)力矩平衡原理,有:

F2L1=G(L1-L2)

(13)

式中:F2為軸承處承受的支承力。

由式(13)求得軸承處支承力F2為:

F2=G(L1-L2)/L1

(14)

根據(jù)力矩平衡原理,可得

4f3L5=0.004F2R1

=0.004R1G(L1-L2)/L1

(15)

式中:R1為軸承內(nèi)徑;f3為軸承摩擦阻力對單根支撐桿產(chǎn)生的剪切力。

根據(jù)式(15)求得f3為:

f3=0.004R1G(L1-L2)/(4L1L5)

(16)

5.4 實例計算和應力模擬分析

以BBD43系列雙進雙出鋼球磨煤機的螺旋推進器為例,L1=3 654 mm,L2=2 050 mm,L5=970 mm,L=2 600 mm,R=760 mm,R1=70 mm,G=23 500 N,Q=35 t/h,r=16 r/min,t=1 700 mm。

代入式(2),有:

F1=GL2/L1=2 350×2 050/3 654=13 180 N

代入式(3),有:

f=F1cosα=13 180 N

代入式(7),有:

G1=QL/(rt)=35×1 000×2 600/60/(16

×1 700)=560 N

代入式(11),有:

f1=G1R/(4L5)=56×760/(4×970)=110 N

代入式(12),有:

f2=G1×sin34°/4=56×sin34°/4=80 N

代入式(16),有:

f3=0.004R1G(L1-L2)/(4L1L5)=0.7 N

所有徑向力總和為190.7 N。

考慮到四根支撐桿不均勻受力,應力模擬分析時徑向力取計算值的兩倍,應用Solidworks三維軟件對直徑為φ62 mm,連接處螺紋為M62 mm,材料許用應力620 MPa的支撐桿進行分析,結(jié)果最大應力為38 MPa,最小安全因數(shù)為16,最大應力點在支撐桿與螺母結(jié)合的根部的很小區(qū)域內(nèi),且軸向力對應力影響很小,切向力才是產(chǎn)生應力的主要原因,圖6為應力云圖,圖7為安全因數(shù)小于20的區(qū)域,可見應力集中在極小的區(qū)域。

圖6 支撐桿螺紋端應力云圖

圖7 支撐桿螺紋端危險截面

6 支撐桿斷裂原因分析

以上受力計算和計算機應力分析表明,支撐桿的強度是滿足要求的,但實際應用中經(jīng)常有支撐桿斷裂的案例發(fā)生,且斷裂的位置多位于同一應力集中位置處。如果排除掉支撐桿本身存在缺陷的因素,那么斷裂一定是支撐桿受到切向力過大造成的。經(jīng)過研究,認為以下因素可以造成支撐桿受到切向力。

支撐桿是在磨煤機空負荷及常溫下安裝的,通過調(diào)整中心筒上的雙螺母,使得支撐桿的頂端與筒體襯板孔窩孔底之間為頂緊狀態(tài),沒有間隙。當磨煤機正常運行時,筒體內(nèi)的溫度超過200 ℃,而且筒體內(nèi)裝入質(zhì)量約80～100 t的鋼球和原煤,在這種狀態(tài)下運行一段時間后,由于筒體變形、襯板螺栓松動后襯板相對位置變化等各種原因,造成支撐桿與筒體襯板之間出現(xiàn)間隙,如圖8、圖9所示。在圖8中,下部的支撐桿與襯板孔底出現(xiàn)間隙,則兩根水平的支撐桿將受到徑向力f4,f4=F1/2。在圖9中,下側(cè)及左側(cè)的支撐桿與筒體襯板孔底不接觸,右側(cè)的支撐桿承受徑向力f5和軸向力f6,上部的支撐桿承受徑向力f6,f5=f6=F1。同樣以BBD43系列雙進雙出鋼球磨煤機的螺旋推進器為例,在如圖8所示情況下,f4=6 590 N,在如圖9所示情況下,f5=f6=13 180 N,僅徑向載荷就分別增加到原來的16倍和32倍,由此產(chǎn)生的應力也分別接近和超過了材料的許用應力。而且由于間隙的存在,載荷也由近似靜載荷變?yōu)闆_擊載荷。

圖8 下部支撐桿與襯板孔底存在間隙時受力分析

由于制造安裝的誤差致使螺旋推進器的旋轉(zhuǎn)軸線與筒體的旋轉(zhuǎn)軸線的同軸度產(chǎn)生偏差。兩種典型情況如圖10、圖11所示。

圖9 下部及左側(cè)支撐桿與襯板孔底存在間隙時受力分析

圖10 支撐桿安裝偏差造成同軸度偏差

圖11 螺旋推進器軸安裝偏差造成同軸度偏差

這兩種情況都導致推進器的右側(cè)軸端N與筒體中心線不共線,由于N點固定在軸承座內(nèi),當筒體旋轉(zhuǎn)時,推進器將繞N、M連線旋轉(zhuǎn),支撐桿與N、M連線的夾角B將筒體的轉(zhuǎn)動呈周期變化,即此時支撐桿受到如圖所示的力F。F的大小與螺旋推進器軸線和筒體旋轉(zhuǎn)軸線的同軸度偏差大小程度有關,同軸度偏差越大,F越大。所以螺旋推進器旋轉(zhuǎn)軸線與筒體旋轉(zhuǎn)軸線同軸度偏差也是導致支撐桿斷裂的主要原因,而且同軸度偏差還直接導致N點的軸承發(fā)熱,縮短使用壽命[8]。

螺旋推進器的安裝調(diào)試是在雙進雙出鋼球磨煤機空載時進行的,當雙進雙出鋼球磨煤機裝入鋼球和煤后,由于重力作用,筒體將產(chǎn)生彎曲變形,這也會造成螺旋推進器和筒體產(chǎn)生同軸度偏差[9]。

綜上所述,支撐桿斷裂的主要原因如下:

(1) 支撐桿端部與筒體襯板孔窩之間出現(xiàn)間隙,造成支撐桿受到的徑向剪切力增大;

(2) 螺旋輸送器的旋轉(zhuǎn)軸線和筒體的旋轉(zhuǎn)軸線之間的同軸度偏差使支撐桿產(chǎn)生額外的徑向剪切力。

7 防止支撐桿斷裂方案

通過以上分析可知,避免支撐桿斷裂可以從以下兩方面入手:取消支撐桿的螺紋,以減少應力集中;改進支撐桿的結(jié)構(gòu),使其能對支撐桿與筒體襯板之間出現(xiàn)的間隙以及螺旋推進器與筒體之間的同軸度偏差進行自動補償,從而減小支撐桿受到的徑向力。

圖12為改進方案所采用的調(diào)心支撐桿的結(jié)構(gòu)示意圖,調(diào)心支撐桿由球面座、支撐桿、彈簧筒、彈簧組、壓蓋組成。支撐桿為光桿、無螺紋,一端設計成球面,與球面座配合,另一端深入彈簧筒中,與預壓緊的彈簧組直接接觸。安裝調(diào)心支撐桿前,先將螺旋推進器的的中心找好,確保其回轉(zhuǎn)中心與筒體的回轉(zhuǎn)中心同軸,然后把球面座裝入筒體襯板的孔窩,接著將整個調(diào)心支撐桿組頂緊,確保支撐桿和球面座接觸良好并頂緊到襯板孔窩底部,然后將彈簧外筒與中心筒焊接牢固,依次安裝四根支撐桿,最后將所有的彈簧組釋放,依靠預緊力使支撐桿牢牢頂緊到襯板孔窩,如圖13所示。由于彈簧組能夠自動補償支撐桿在傳動中產(chǎn)生的振動位移,實現(xiàn)自動調(diào)心,使螺旋輸送送器在轉(zhuǎn)動過程中能夠自動調(diào)心,不發(fā)生繞心擺動,轉(zhuǎn)動更加平穩(wěn);同時支撐桿與襯板孔窩之間改為球面接觸,使得支撐桿能夠適應螺旋推進器一定幅度的軸向竄動和徑向擺動,避免支撐桿受到額外的徑向剪切力,大大提高了支撐桿的使用壽命[10-11]。

圖12 調(diào)心支撐桿結(jié)構(gòu)

圖13 調(diào)心支撐桿安裝

8 結(jié)束語

通過以上分析可知,支撐桿斷裂主要是由支撐桿受到過大剪切應力造成的。為避免支撐桿斷裂,可以從以下兩方面入手:取消支撐桿的螺紋,以減小應力集中;將傳統(tǒng)的支撐桿改為調(diào)心支撐桿結(jié)構(gòu),運行時能對支撐桿與筒體襯板孔窩之間出現(xiàn)的間隙及螺旋推進器與筒體之間的同軸度偏差進行自動補償,從而減小支撐桿受到的徑向力,最終提高支撐桿的使用壽命。