珠海發電廠磨煤機磨輥技術改進分析

張富榮（珠海發電廠，廣東珠海，519000）

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珠海發電廠磨煤機磨輥技術改進分析

張富榮
（珠海發電廠，廣東珠海，519000）

摘 要：3年內，珠海發電廠磨煤機輥套發生斷裂或松動26次，經檢測分析其主要原因是設計不合理。本文通過研究，設計了增加輥芯與輥套的配合過盈量，以及增加結合面面積等方法，徹底解決了磨煤機輥套斷裂和松動的問題，延長了輥芯與輥套的使用壽命，為相關企業的技術改進提供參考借鑒作用。

關鍵詞：磨煤機輥套；磨輥；斷裂與松動；技術改進

引言

珠海發電廠的鍋爐是日本三菱重工公司生產的亞臨界壓力、一次中間再熱、四角切圓燃燒、固態排渣的控制循環鍋爐。珠海發電廠共有兩臺機組，每臺鍋爐的制粉系統配備6臺日本三菱重工公司生產的液壓加載的立式中速磨煤機，型號為MVM25R，每臺磨煤機共有三個磨輥。磨煤機出力為69.5t/h，磨盤轉速為35.9 rpm，磨輥轉速為50 rpm，磨輥由輥套、輥芯、輥軸及軸承等部件組成，磨輥內部的軸承采用油浸自潤滑方式，輥套與輥芯的聯接方式為單鍵及過盈裝配相結合，磨盤與磨輥不直接接觸，中間有3mm間隙。

磨煤機的工作原理［1］是：燃煤經落煤管進入旋轉的磨煤機磨盤中心，在磨盤離心力作用下，向磨盤四周移動，當煤通過磨盤與磨輥之間的間隙時，被咬入并進行碾磨，碾磨力由磨輥自重及液壓裝置所供油壓組成，此時，在煤的摩擦力作用下，使磨輥跟著磨盤轉動，同時，熱風不斷進入磨煤機內部加熱煤并將合格煤粉送進鍋爐燃燒。

我廠磨煤機原來磨輥的輥芯與輥套配合過盈量過小，且結合面面積過小，磨煤機輥套容易松動甚至斷裂，影響磨輥的使用壽命。

1 產品問題

珠海發電廠1號機組于2001年2月投產，2號機組于2000年4月投產。該廠內磨煤機輥套為可拆式輪胎狀，由母材（內層）、過渡層（中間層）、硬質堆焊層（外層）組成。根據日本三菱公司的設計說明書，其輥套堆焊層的厚度為35 mm，材料為MHCCR，Cr-E（洛氏硬度大于HRC60）；過渡層的厚度為2到3.8mm，材料為SUS309；母材的材料為SC410。輥套的硬質堆焊層的設計壽命為12000小時，即經過12000小時運行后，如果硬質層的磨損量達到25mm，需要重新對硬質層進行堆焊后再次使用，而不需要更換整個輥套，而且硬質層一般可以堆焊3次以上，也就是說輥套母材一般可以使用36000小時以上。

但是，該廠的磨煤機輥套在使用大約10000小時后，整個輥套就出現了松動或斷裂，如圖1所示。輥套的斷裂從2001年7月22日開始不斷出現，到2003年底，12臺磨煤機（共36個輥套）發生松動及斷裂的輥套有26個。經研究發現，在這些松動及斷裂的輥套中，輥芯和輥套的結合面都有不同程度的磨損。這嚴重影響了磨煤機的運行穩定性，以及機組的安全運行。

2 輥套斷裂、松動原因分析

2.1 制造工藝問題

輥套的斷裂為通透性斷裂，即從堆焊層表面開始向內垂直擴展，直至母材的根部，裂紋均在鍵槽約250～350mm（順著磨輥轉動方向）處，如圖1所示，而該處剛好與輥芯的凹槽位置配合。斷裂輥套內表面還存在不同程度的磨損，最大可達到2mm。從輥套斷口的宏觀分析看，輥套堆焊層還存在龜裂、氣孔、夾渣、微裂紋等缺陷，其中微裂紋發生在堆焊層與母材交界處的過渡層，造成這些問題的主要原因是焊接工藝存在不足。母材斷裂呈現疲勞斷裂特征，即疲勞貝紋線，也就是由于交變應力作用使裂紋擴展，在裂紋源和瞬斷區之間形成像貝殼表面的同心圓弧線，裂紋前沿線呈弧狀臺階痕跡。金屬分析顯示：其各層材料的化學成分［2］符合設計要求。

圖1 磨煤機輥套斷裂、裂紋

2.2 設計不合理

由于磨煤機輥芯采用的是“花鍵式”結構，與輥套內壁的接觸面積只有整個輥套內壁的41.5%，如圖2所示，而且只有一個通透式的鍵銷。這使得磨煤機在運轉時，抵抗沖擊負荷的能力就明顯下降，造成對輥套內壁局部沖擊力過大，產生凹痕。由于該凹痕的存在，在磨煤機運轉過程中易于間隙產生并增大，加速了輥套的斷裂損壞。

圖2 改造前的輥芯

圖3 改造后的輥芯

原設計的輥芯尺寸為φ1075+0.253/+0.18，輥套尺寸為φ1075+0.13/+0.10（，也就是說輥套與輥芯的裝配過盈量為0.05 mm～0.153mm。在實際運行中，磨煤機內部溫度易發生變化，輥套與輥芯難免存在溫差；一旦存在溫差，即會造成輥套與輥芯的膨脹量不同。因此，輥套與輥芯之間易產生間隙。間隙一旦產生，輥套與輥芯之間就會發生撞擊，并加速輥套的斷裂損壞。

2.3 磨輥內外溫差變化影響問題

在磨煤機冷態啟動時，必須先進行暖磨預熱，使磨煤機出口溫度升到75℃左右（煤種不同，溫度略有不同）。在正常操作時，暖磨預熱的一次風進入磨煤機時溫度往往大于120℃，由于暖磨預熱時，磨煤機內部沒有煤，所以暖磨預熱時間往往很短，一般在10分鐘左右。而預熱一次風進入磨煤機前，整個磨輥與環境溫度相同或略高（一般在30℃左右），特別是輥芯內部有很多潤滑油（約30公斤），這使得輥芯內壁溫度在較長時間里都與環境溫度相當；而輥芯與輥套的厚度（約395mm）及傳熱系數相當，這樣使得輥芯與輥套的平均溫差將非常大。要使輥芯內壁溫度與輥套外壁溫度相近，就必須花較長時間（根據經驗，一般需要超過30分鐘）加熱內部的潤滑油，使油溫也接近輥套外壁溫度。因此，在正常暖磨預熱后投煤運行，輥套與輥芯的平均溫差往往還大于10℃，根據熱膨脹量的理論公式計算［3］：

也就是說，輥套的直徑熱膨脹量比輥芯的大0.129mm。當輥套與輥芯之間的裝配過盈量小于0.129mm時，輥套與輥芯之間將形成間隙，而原設計輥套與輥芯的裝配過盈量為0.05mm ～0.153mm。實際安裝前測量的裝配過盈量大部分都小于0.129mm，而這部分的輥套也相應地出現了松動、裂紋甚至斷裂。一旦松動，輥套就將產生額外的沖擊力。裝配過盈量大于0.129mm的，則極少出現松動現象，更不存在斷裂現象。

在運行中的磨煤機內部溫度由低變高時，也會存在與磨煤機在啟動時沒有充分預熱的類似的情況。

2.4 燃煤中含有堅硬雜物

珠海發電廠燃煤質量和含量變化大，且輸煤設備或制粉設備出現部件損壞，都可能會造成燃煤中含有煤矸石、鐵塊等雜物。這些雜物會造成磨輥受到額外的沖擊負荷，此時的額外沖擊負荷往往非常高，這會加速輥套的損壞。

2.5 輥套受力分析

根據磨煤機工作原理可知：磨輥轉動是靠磨套與磨盤之間煤的摩擦力F1帶動運轉的，即磨輥是被動運轉的，如圖4所示。在輥套與輥芯之間存在間隙δ的情況下，輥套主要是通過“鍵”把力F1傳送給輥芯，從而帶動輥芯一起運轉，即F1在克服輥芯阻力（即由F2、F3、F4產生的磨擦阻力），使得磨輥運轉。

圖4 磨煤機輥套受力圖

具體說明：

F1：煤作用在輥套切線方向的力；

F2：鍵對輥套的反作用力；

F3：液壓裝置壓力及磨輥自重作用在輥套上的力；

F4：煤作用在輥套上的垂直方向上的力；

F5：輥套的離心力；

δ：輥套和輥芯之間的間隙。

由圖4可知，輥套主要受到了作用力［4］F1、F2、F3、F4、F5，磨煤機運轉時，輥套始終以“鍵”銷為死點，在力F1的作用下帶動輥芯運轉；在F1、F2、F3、F4、F5聯合作用下，輥套在磨芯頂部（實際是一個較大的區域）產生間隙δ；產生間隙δ后，隨著磨輥的運轉，當間隙轉到底部（實際是一個區域）時，在F1、F2、F3、F4、F5聯合的作用下，跳到磨輥頂部，就產生磨輥輥芯在輥套內以“鍵”銷為支點進行擺動，而造成輥套內壁磨損、沖擊及間隙δ的逐步增大；當燃煤中含有煤矸石、鐵塊等雜物時，磨輥就受到外界沖擊負荷，此時的沖擊負荷對輥套及輥芯的影響將進一步加大，在沖擊負荷作用下間隙δ將進一步增大。而間隙越大，輥套與輥芯之間的撞擊也越大，在運轉過程中，輥套在交變應力的作用下，發生機械疲勞損傷，隨著時間的延長，最終導致輥套斷裂。同時由于輥芯外壁與輥套內壁的接觸面積只有41.5%，在沖擊力的作用下，輥套內壁局部應力非常大，與輥芯接觸的內壁磨損及變形均加速，也將加快輥套的松動，而輥套一旦松動，將加速損壞。

3 解決措施

磨煤機在啟動時暖磨預熱時間過長，將會影響鍋爐效率及機組負荷，特別是在危急下啟動磨煤機時，將更加明顯。在運行中，磨煤機出口溫度的變化在所難免。所以不能僅采用延長暖磨預熱時間的方法解決輥套斷裂問題。同時，燃煤中煤矸石、鐵塊等雜物的含量只能盡可能減少。

因此，只能從磨輥本身的設計及制造方面考慮。實際上，在沒有松動或斷裂的輥套中堆焊層也存在同樣的龜裂、氣孔、夾渣、微裂紋等冶金缺陷，但其實際裝配過盈量較大。因此，在制造工藝問題上，只要能保持當前的水平或略有提高即可，而關鍵的是磨輥本身的設計方面的問題：輥套與輥芯之間的裝配過盈量偏小；輥芯采用的是“花鍵式”結構，與輥套內壁的接觸面積過小。

從上面的原因分析中可知，只要輥套與輥芯的裝配過盈量大于0.129mm，就極少出現松動現象。因此，在選擇輥套與輥芯的裝配過盈量［5］的下限值應至少大于0.129mm。兼顧考慮在正常使用約12000小時后，只要拆裝一次，輥套內徑也會增大0.02mm左右；所以根據實際使用經驗，裝配過盈量的下限選用0.15mm，上限選用0.30mm，基本尺寸不變。

輥套與輥芯改造前后的數據對比，如表1。

表1 輥套與輥芯數據

原設計中，輥芯與輥套的結合面為41.5%，由于結合面非常小，局部應力非常大，尤其在輥芯凹槽區，輥套的應力更大；因此在新設計的輥芯中，取消凹槽，而其它尺寸不變，使結合面面積明顯增大。根據計算，結合面已增大到85%以上，如圖3、圖5所示，這大大提高了抗沖擊能力。在輥芯與輥套之間沒有間隙的情況下，其摩擦面積也就明顯增加，運行中將更加穩定。

圖5 輥芯與輥套改造前后示意圖

4 結論

珠海發電廠12臺磨煤機的所有輥芯與輥套在2004年12月前全部進行技術改造，且安裝完畢。磨輥改造后，截至到2016年2月，所有輥套從未出現過斷裂，可見這次技術改造非常成功，同時也為三菱公司及其它相關公司設計制造或技術改造類似結構的磨輥提供了寶貴的經驗。

參考文獻

［1］ 張力 《鍋爐原理》.第一版.北京：機械工業出版社.2011.6.

［2］ 潘繼民 《金屬材料化學成分與力學性能手冊》，第一版，北京：機械工業出版社，2013.10.

［3］曾正明 《機械工程材料手冊-金屬材料》，第七版，北京：機械工業出版社，2010.10.

［4］聶毓琴 孟廣偉 《材料力學》，第二版，北京：機械工業出版社，2009.2.

［5］成大先 《機械設計手冊》，第五版，北京，化學工業出版社，2014.11.

Analysis the Alteration of the Roller of the Mill of Zhuhai Power Station

Furong Zhang
（Zhuhai Power Station， Zhuhai， Guangdong， 519000， China）

Abstract：In three years， twenty-six Rollers have been cracked or loosened on the mill of the two Units in Zhuhai power station.The analysis results of fracture surface showed that the main cause of the roller was cracked or loosened.Than we designed many ，methods.By enhancing the magnitude of interference fit and the junction area between the roll core and the roll ring，finally resolved problems.This service life of the roll core and the roll ring has been prolonged.

Key words：Roller Sleeve for Coal Grinding Machine； Crack Alteration； Technical Improvement

中圖分類號：TM611

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8412 （2016） 02-209-05

DOI：工業技術創新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.024

作者簡介：

張富榮（1975-），男，吉林大學本科畢業，主任技師，長期從事大型鍋爐的檢修及管理工作。

E-mail： zhuhaifurong@126.com