白文生
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回轉(zhuǎn)窯托輪竄軸原因分析及處理
白文生
回轉(zhuǎn)窯在現(xiàn)場運行過程中,可能會出現(xiàn)托輪竄軸事故。本文結(jié)合理論計算、制造加工因素、現(xiàn)場實際運行因素等,對事故原因進行了分析,并給出了解決方案及建議。
托輪;竄軸;原因;處理
回轉(zhuǎn)窯是水泥燒成設(shè)備的核心,其正常運轉(zhuǎn)是保證水泥廠生產(chǎn)的關(guān)鍵?;剞D(zhuǎn)窯筒體上套有矩形輪帶,輪帶將窯筒體、窯襯、物料等所有重量通過托輪傳到托輪支承裝置上。托輪與托輪軸之間通過過盈配合傳遞力。在運轉(zhuǎn)過程中,托輪與托輪軸配合處發(fā)生軸向移動,稱為竄軸。竄軸會對設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)產(chǎn)生嚴重影響,甚至?xí)l(fā)生重大事故,因此一旦發(fā)現(xiàn)竄軸,操作人員必須及時停機并處理。
某水泥廠在2010年發(fā)生過一起竄軸事故。本文現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場實際情況,對其竄軸的原因進行如下分析:
1.1理論計算[1](按托輪與軸的溫度相同計算):
已知條件:
托輪與托輪軸的裝配方式:熱裝法;
托輪與托輪軸的配合:?850H7/t7;
托輪材料:ZG42CrMo,正火加回火;
托輪軸材料:45號,調(diào)質(zhì);
托輪外徑da=2 400mm;
托輪與托輪軸配合直徑df=850mm;
托輪軸實心;
配合長度Lf=1 050mm;
托輪表面粗糙度Raa=0.003 2mm;
托輪軸表面粗糙度Rai=0.001 6mm;
被聯(lián)接件的摩擦副的摩擦系數(shù)μ=0.11;
托輪和托輪軸材料的彈性模量Ea=Ei=210 000MPa;
托輪和托輪軸材料的泊松比νa=νi=0.3;
托輪材料的屈服點σsa=343MPa;
托輪軸材料的屈服點σsi=345MPa;
傳遞的軸向力Fx=(582 555~776 740)N。
計算結(jié)果如下:
圖1 托輪與托輪軸配合處設(shè)計尺寸
(1)傳遞載荷所需的最小有效過盈量:δmin=0.017 5~0.023 3mm。
(2)被連接件不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大有效過盈量:δemax=1.57mm。
(3)托輪與托輪軸配合的驗證,根據(jù)托輪與托輪軸配合得出:
最小過盈量:[δmin]=0.53mm
最大過盈量:[δmax]=0.71mm
[δmin]>δmin,滿足保證過盈連接傳遞給定載荷要求
[δmax]<δemax,滿足保證連接件不產(chǎn)生塑性變形要求
(4)過盈連接的最小傳遞力驗證:
Ftmin=17 148 478N
因為Ftmin>Fx,所以托輪與托輪軸配合處的設(shè)計是合理的。
1.2加工時托輪與托輪軸的偏差
如果加工時,托輪與托輪軸的尺寸或形位公差沒有達到圖紙設(shè)計要求,配合面就會產(chǎn)生偏差△。如圖2、3所示。
圖2 托輪與托輪軸裝配圖(1)
圖3 托輪與托輪軸裝配圖(2)
第一種情況:托輪及托輪軸在加工過程中出現(xiàn)了錐度,按圖2進行熱裝后造成過盈量在整個軸長范圍內(nèi)分布不均。
第二種情況:托輪及托輪軸圓度公差沒有達到圖紙要求,出現(xiàn)橢圓,二者熱裝后造成過盈量在圓周長范圍內(nèi)分布不均(如圖3所示)。
第三種情況:托輪與托輪軸尺寸公差沒有達到圖紙要求,托輪內(nèi)徑偏大,托輪軸外徑偏小,導(dǎo)致熱裝后實際過盈量小于最小設(shè)計過盈量。
由Ft=[p]π dfLfμ,可以看出:當(dāng)出現(xiàn)上述加工質(zhì)量問題時,df有效直徑變小,Lf有效配合長度變短,配合面所傳遞的力會成比例下降。
1.3運轉(zhuǎn)時托輪與托輪軸配合面的溫差
在回轉(zhuǎn)窯運行過程中,由于筒體熱輻射,輪帶與托輪接觸后會造成托輪與托輪軸之間出現(xiàn)溫度差。托輪與托輪軸受熱膨脹后,二者配合面膨脹量的不一致造成過盈間隙變小。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)托輪與托輪軸的平均溫度差大約在30~50℃。在這種情況下,托輪與托輪軸之間的過盈量會減小。托輪和托輪軸配合面膨脹量偏差計算如下:
△=αdf△t(1)
式中:
△——托輪與托輪軸配合面膨脹量偏差值,mm
圖4 托輪竄軸后現(xiàn)場圖
圖5 處理方案
圖6 處理竄軸用材料
圖7 現(xiàn)場焊接處理圖
α——熱膨脹系數(shù),α=0.000 012mm/℃
df——托輪與托輪軸配合面直徑,df=850mm
△t——托輪比托輪軸平均溫度高30~50℃,即△t= 30~50℃
代入公式后,求得△=0.306~0.51mm
因為設(shè)計的最小過盈量[δmin]=0.53mm,最大過盈量:[δmax]=0.71mm,所以此時托輪與托輪軸配合處的最小過盈量值為0.02mm,已接近傳遞載荷所需的最小有效過盈量δmin,托輪與托輪軸配合面所傳遞的力下降。
綜上所述,在溫差和加工偏差共同影響下,托輪與托輪軸配合面所傳遞的力下降,當(dāng)配合面所傳遞的力小于外力值時就會發(fā)生竄軸事故。
當(dāng)托輪發(fā)生竄軸(見圖4紅線圈出部分)后,現(xiàn)場必須停機處理,以免托輪沿托輪軸繼續(xù)移動,造成托輪與其他零部件磕碰,產(chǎn)生不必要的損失。根據(jù)上述事故原因分析結(jié)果,制定了圖5所示處理方案:即通過在托輪兩側(cè)焊接擋板和擋塊來吸收外力?,F(xiàn)場處理情況見圖6、圖7。該現(xiàn)場處理完成后,已運轉(zhuǎn)多年,沒有再次發(fā)生竄軸事故。實踐證明,上述對托輪竄軸事故的處理方案是可行的。
3幾點建議
(1)設(shè)計時,改變托輪與托輪軸的配合公差,建議過盈量控制在(0.008~0.01)df。
(2)加工時,應(yīng)嚴格保證托輪與托輪軸配合面尺寸及直線度、圓度、圓柱度等公差要求,確保熱裝后配合面在長度及圓周方向過盈量均勻。
(3)實際運行時,現(xiàn)場應(yīng)嚴格控制托輪表面溫度,減小托輪與托輪軸的溫差值。
[1]成大先.機械設(shè)計手冊(第五版)第2卷[S].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.11.
他山之石
Cause Analysis and Treatment of Repositioning the Axle of Kiln Supporting Wheel
TQ172.622.29
A
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