馬丁爐托輪總成優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

向 鵬，王康寧，胡耀文，譚龍偉，徐文浩，蔣金陶

(1.成都供電公司變電運(yùn)維工區(qū)，四川 成都 610081；2.重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶 400053)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，各種工業(yè)垃圾和生活垃圾圍城問題已成為嚴(yán)重制約城市繼續(xù)發(fā)展的瓶頸，如何將這些有用垃圾變廢為寶已成為我們急需解決的一個(gè)重要課題。目前的垃圾處理方式主要有圍場(chǎng)填埋、工業(yè)堆肥、無害化焚燒、金屬廢品回收等，這幾種垃圾處理方式各有優(yōu)缺點(diǎn)[1-2]。其中垃圾焚燒發(fā)電具有垃圾總量減量明顯、無害化徹底、可再生能量等優(yōu)點(diǎn)，符合人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的目標(biāo)，也受到人類的日益重視[3-4]。我國(guó)西南地區(qū)的城市垃圾具有高熱值、高水分的特點(diǎn)，馬丁爐因其具有適應(yīng)熱值范圍廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)能力大、可操縱性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用。托輪總成是馬丁爐的關(guān)鍵熱力傳輸設(shè)備，也是爐排的主要支撐運(yùn)動(dòng)部件，它安裝在用于支撐爐排的Z字梁下，隨著Z字梁運(yùn)動(dòng)托輪而轉(zhuǎn)動(dòng)，托輪運(yùn)動(dòng)工況的完好與否，是影響爐排運(yùn)轉(zhuǎn)的主要因素之一[5-8]。托輪工作環(huán)境溫度在220～250 ℃之間，運(yùn)行過程中工況復(fù)雜，除了承受熱應(yīng)力，還承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和接觸應(yīng)力，當(dāng)其中之一過大時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致托輪損壞，甚至導(dǎo)致爐排卡死停機(jī)。因托輪單件重，體積大，制作工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，維修、更換困難，停爐檢修時(shí)間至少8天，會(huì)給企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，所以托輪的自身品質(zhì)與日常維護(hù)尤為重要。日本三菱重工馬丁爐托總成的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，某電廠自己仿造的托輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 日本三菱重工馬丁爐托輪總成的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖2 某電廠自己仿造的托輪結(jié)構(gòu)

1 存在問題

某電廠引進(jìn)垃圾焚燒爐設(shè)備為日本三菱重工的馬丁爐，該設(shè)備在運(yùn)行過程中主要出現(xiàn)以下重大故障：用于支撐爐排運(yùn)動(dòng)Z字梁的托輪經(jīng)常在設(shè)計(jì)運(yùn)行壽命周期內(nèi)出現(xiàn)報(bào)廢現(xiàn)象，使設(shè)備經(jīng)常處于停爐檢修狀態(tài)。

針對(duì)該公司的設(shè)備弊端，就企業(yè)提出的設(shè)備痛點(diǎn)問題進(jìn)入馬丁爐現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，現(xiàn)場(chǎng)分析托輪總成損壞報(bào)廢的原因。

1)外因：

①托輪所承載的負(fù)荷為變量載荷；

②托輪內(nèi)部裝配的圓柱滾子軸承同時(shí)承受徑向力和軸向力。

2)內(nèi)因：

①設(shè)計(jì)的軸承結(jié)構(gòu)不合理，圓柱滾子軸承只能承載徑向載荷，軸向載荷的承載能力為零，且軸承保持架的結(jié)構(gòu)尺寸太單??；

②托輪軸的結(jié)構(gòu)不合理，當(dāng)托輪同時(shí)承受徑、軸向力時(shí)，其載荷合力的方向與托輪軸的軸線形成夾角，將處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的圓柱滾子端頭卡死在托輪軸表面的孔洞里，托輪軸的軸線與保持架的軸線發(fā)生相對(duì)角位移，繼而造成軸承保持架扭曲變形甚至斷裂，使托輪提前報(bào)廢；

③托輪內(nèi)部的圓柱滾子軸承的軸向定位為錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)，軸向定位在圓柱滾子保持架上，造成圓柱滾子與保持架不能沿著托輪軸公轉(zhuǎn)，只能使圓柱滾子在保持架內(nèi)自轉(zhuǎn)，當(dāng)托輪軸經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，圓柱滾子保持架的軸線與托輪軸的軸線相對(duì)角位移越變?cè)酱?，同時(shí)保持架與圓柱滾子之間的接觸間隙也越來越大，當(dāng)其大到一定程度時(shí)，底部潤(rùn)滑材料鉛粉掉落，潤(rùn)滑材料不能順利地進(jìn)入軸瓦底部，導(dǎo)致保持架出現(xiàn)高溫發(fā)熱現(xiàn)象，由于圓柱滾子與保持架磨損間隙過大，導(dǎo)致圓柱滾子保持架的變形超過正常范圍，或使圓柱滾子與保持架接觸面發(fā)生改變，造成圓柱滾子保持架出現(xiàn)受力不均的情況，引起托輪保持架高溫發(fā)熱或斷裂；

④用于支撐爐排運(yùn)行的Z字梁在運(yùn)動(dòng)過程中時(shí)常出現(xiàn)平面竄動(dòng)，在Z字梁與托輪表面線接觸的過程中會(huì)在托輪的軸向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的破壞扭矩，此扭矩產(chǎn)生的力也可使托輪保持架間出現(xiàn)相對(duì)挫動(dòng)和摩擦，使托輪保持架端面受力過大，軸向受力不均；

⑤托輪總成的裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，不便于拆卸維修；

⑥托輪總成的輪軸兩端沒考慮防塵結(jié)構(gòu)、也是造成托輪內(nèi)部軸承卡死的原因之一。

托輪軸密封不良，軸表面的圓孔(用于裝入鉛粉，潤(rùn)滑圓柱滾子，而實(shí)際情況是鉛粉在托輪內(nèi)部處于干結(jié)狀態(tài))雜質(zhì)進(jìn)入嚴(yán)重，發(fā)生圓柱滾子跟軸瓦不良研磨，導(dǎo)致發(fā)熱，不僅沒有起到對(duì)圓柱滾子的潤(rùn)滑作用，反而惡化潤(rùn)滑環(huán)境。潤(rùn)滑材料選用錯(cuò)誤是導(dǎo)致托輪軸瓦溫度上升的一大因素。

2 解決方案

在該公司的技改方案中(圖3、圖4)，從以下4個(gè)方面對(duì)托輪總成進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1)將托輪的外輪廓由三菱重工的圓柱形設(shè)計(jì)為腰鼓形，改變了托輪軸向外表面與Z字梁的接觸方式，由原來的線接觸改為了點(diǎn)接觸，減小了作用在托輪表面的旋轉(zhuǎn)扭矩的力臂長(zhǎng)度。其作用在于，當(dāng)托輪受到軸向軸向載荷時(shí)，可最大限度地減小外來扭矩對(duì)托輪總成的破壞。

2)將非標(biāo)軸承中的滾動(dòng)體由原來的圓柱形改為腰鼓形，使原來只能承受單向的徑向載荷變?yōu)橥瑫r(shí)承受徑向與軸向雙向載荷，且腰鼓形滾動(dòng)體具有自動(dòng)復(fù)位定心功能。

3)非標(biāo)軸的軸向定位由三菱重工設(shè)計(jì)的定位軸承保持架改為定位軸承外圈，使圓柱滾子保持架在托輪的結(jié)構(gòu)中處于懸浮非受力狀態(tài)，改變軸承的受力環(huán)境，使軸承的運(yùn)行工況處于正常的受力狀態(tài)。

4)增設(shè)托輪總成的軸向密封結(jié)構(gòu)，最大限度地杜絕垃圾燃燒過程中產(chǎn)生的灰塵侵入軸承，徹底改變軸承的潤(rùn)滑環(huán)境，提升滾動(dòng)體的潤(rùn)滑品質(zhì)。

圖3 托輪總成結(jié)構(gòu)平面圖

圖4 托輪總成數(shù)字樣機(jī)效果圖

使用專用的托輪潤(rùn)滑材料。聚四氟乙烯復(fù)合石墨表面浸銅。此潤(rùn)滑材料相對(duì)于鉛粉更加環(huán)保，也更耐高溫，在本工程實(shí)際運(yùn)行溫度黏度較大，增加了腰鼓滾動(dòng)體的抗壓能力，有利于形成潤(rùn)滑膜。

根據(jù)使用周期和使用情況對(duì)密封圈進(jìn)行保養(yǎng)，保證密封圈在使用過程中能保持彈性與完好性，密封圈使用時(shí)間不宜過長(zhǎng)，以防止因磨損或老化造成設(shè)備進(jìn)入灰塵；在日常巡檢中，應(yīng)檢查托輪軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)的完好性，觀察密封圈是否存在松動(dòng)或脫落的情況，如若發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)及時(shí)組織現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行處理。

3 模擬仿真試驗(yàn)

經(jīng)調(diào)研，該公司每次檢修1臺(tái)鍋爐，需耗時(shí)8天，在檢修期間，將產(chǎn)生以下?lián)p失。

1) 鍋爐8天的垃圾焚燒量：

23 t/h×24 h×8 d=4 416(t/8d)

2) 8天發(fā)電量損失量：

400 kw·h/t×4 416 t=1 766 400(kw·h/8d)

3)8天售電損失費(fèi)用：

0.60元/kW·h×1 766 400kW·h/8d=1 059 840(元/8d)

4)焚燒8天垃圾量的財(cái)政補(bǔ)貼：

100元/t×4 416(t/8d)=441 600(元/8d)

以上兩項(xiàng)總計(jì)損失：

1 059 840(元/8d)+441 600(元/8d)=

1 501 440(元/8天)

由于技改的實(shí)際耗時(shí)是一個(gè)不確定因素，托輪總成又涉及兩個(gè)方案，為了減少該公司在技改過程中的不必要耗時(shí)所帶來的經(jīng)濟(jì)損失，在托輪裝機(jī)前，先期做一個(gè)模擬試驗(yàn)，確定托輪的適用方案，再進(jìn)行技改安裝。針對(duì)這一具體情況，設(shè)計(jì)了1臺(tái)模擬仿真馬丁爐運(yùn)行環(huán)境的托輪磨合裝置(見圖5和圖6)，用于鍋爐改造前期托輪的磨合試驗(yàn)。裝置說明如下。

圖5 仿真馬丁爐托輪磨合裝置結(jié)構(gòu)平面圖

圖6 仿真馬丁爐托輪磨合裝置數(shù)字效果圖

1)托輪工作環(huán)境溫度

圖5中，保溫材料(件6)、箱體上蓋(件5)和下箱體(件21)構(gòu)成一個(gè)相對(duì)密閉的溫度為220 ℃左右的保溫空間。保溫空間內(nèi)的熱量由電加熱(空氣干燒)(件57)提供。

2)設(shè)備工作力的傳遞

①Z軸方向：垂直缸(件9)的壓力通過壓力頭(件13)傳遞到上托輪固定板組件(件18)，通過上托輪組件(件42)傳遞到上壓板組件(件19)，下壓板組件(件20)通過彈簧組件(件45、46、47)，將力傳遞給上托輪組件(件42)再傳遞給下托輪固定板組件(件22)，使整個(gè)Z軸方向上的壓力為柔性壓力。

②X軸方向：水平缸(件3)通過水平拉桿組件(件4)，往復(fù)拉動(dòng)由下壓板組件(件20)與上壓板組件(件19)構(gòu)成的馬丁爐中的仿真“Z”字梁，帶動(dòng)托輪組件(件42)中的托輪進(jìn)行往復(fù)圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)托輪組件(件42)結(jié)構(gòu)中的腰鼓、軸承內(nèi)、外滑道磨合仿真試驗(yàn)。

3)垂直缸組件(件9)通過上半旋轉(zhuǎn)軸組件(件33)旋轉(zhuǎn)90°后，可實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)零部件的裝拆。

4)通過激光測(cè)速器獲取水平油缸的運(yùn)行速度，與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，使其差額穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，視其為磨合達(dá)到成品要求。

經(jīng)過試驗(yàn)室長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的加速仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證該托輪技術(shù)指標(biāo)滿足技改要求，達(dá)到電廠技改目標(biāo)，可以用于電廠技改工程。目前該項(xiàng)目申報(bào)3項(xiàng)發(fā)明專利和3項(xiàng)實(shí)用新型專利，正處于公示階段。

4 結(jié)語

經(jīng)過一段時(shí)間的仿真驗(yàn)證，托輪機(jī)體保持完好，潤(rùn)滑良好，能適應(yīng)高溫高壓的工作環(huán)境，設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)6倍，托輪故障率明顯降低，設(shè)備檢修停爐頻率也有所減少，為企業(yè)挽回經(jīng)濟(jì)損失900萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和社會(huì)效益，值得企業(yè)推廣。