FU 型鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)磨損問題探析

郝英星，任麗媛，王永樹

（中國(guó)神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209）

0 引言

國(guó)內(nèi)某煤化工企業(yè)擁有目前世界上唯一一套年產(chǎn)油品180萬噸的煤炭直接液化示范工程項(xiàng)目生產(chǎn)線。該示范工程具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，工藝裝置主要包含煤制氫、“863”高效催化劑制備、煤直接液化、產(chǎn)品精制四大部分。其中催化劑制備是利用部分煤炭液化原料煤作為載體，在煤炭表面合成納米級(jí)的水合氧化鐵（FeOOH），經(jīng)干燥、研磨后與溶劑混合制備成油煤漿，做煤直接液化用催化劑。該催化劑的突出優(yōu)點(diǎn)是制備出了納米級(jí)的活性組分（電鏡下直徑約30 nm、長(zhǎng)度約120 nm），活性高使煤液化的油收率高[1]。在催化劑制備裝置中，F(xiàn)U350 型鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)是催化劑產(chǎn)品輸送的重要設(shè)備，該設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)輸送系統(tǒng)零部件異常磨損問題，影響整個(gè)裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)，針對(duì)此問題對(duì)該設(shè)備展開分析，以找到解決問題的辦法。

1 FU 型鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)在“863”催化劑制備中的應(yīng)用

1.1 FU 型鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)

FU 型鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)又稱拉鏈機(jī)、鏈運(yùn)機(jī)，屬于埋刮板輸送機(jī)的一種形式，隸屬于物料輸送機(jī)械設(shè)備中刮板輸送機(jī)范疇。埋刮板輸送機(jī)按結(jié)構(gòu)分為6 種型式（水平型S、垂直型C、Z 型Z、平面環(huán)型P、立面環(huán)型L、扣環(huán)型K），按輸送物料的特性分為4種型式（普通型、熱料型R、耐磨型M、氣密型F）[2]。埋刮板輸送機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制造、易安裝、易操作、密閉運(yùn)行安全可靠、輸送量可調(diào)、物料損傷損耗小、可多點(diǎn)加卸料等優(yōu)點(diǎn)，在建材、化工、火電、糧食加工、礦山、冶煉、交通、港口等行業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中運(yùn)送散料物體方面扮演著重要角色[3]。

FU 型鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、箱體及調(diào)節(jié)系統(tǒng)三大部分組成，其中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中有電機(jī)、擺線針輪減速機(jī)、傳動(dòng)滾子鏈、聯(lián)軸器、傳動(dòng)鏈輪；物料輸送系統(tǒng)有輸送鏈頭輪、導(dǎo)向尾輪、支撐托輪、U 形滾子鏈、上下軌道；箱體及調(diào)節(jié)系統(tǒng)有箱體、張緊絲杠、軌道支撐架。由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的力矩作用在頭部鏈輪上，通過托輪托舉、軌道引導(dǎo)、導(dǎo)向輪換向張緊的共同作用實(shí)現(xiàn)鏈條回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。FU 型鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 FU 型鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)技術(shù)參數(shù)

FU 型鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)在輸送粉狀、粒狀、小塊狀散料時(shí)，因箱體內(nèi)物料各微粒之間存在內(nèi)摩擦力和內(nèi)壓力的特性，在輸送機(jī)的輸送鏈及其附件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下，物料受到與輸送鏈運(yùn)動(dòng)方向一致的拉力，使物料微粒間內(nèi)壓力和內(nèi)摩擦力增大。當(dāng)料層之間的內(nèi)摩擦力大于物料與箱體側(cè)壁的外摩擦力時(shí)，物料將隨著輸送鏈一起向前流動(dòng)，當(dāng)料層高與機(jī)槽寬的比值滿足一定條件時(shí)，可形成穩(wěn)定的物料流，實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)連續(xù)穩(wěn)定工作。

在“863”催化劑制備粉料輸送中，應(yīng)用的是鏈條為U 形、箱體寬度為350 mm 的FU350 氣密型鏈?zhǔn)铰窆伟遢斔蜋C(jī)，其性能參數(shù)見表2。

表2 FU350 型鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)相關(guān)性能參數(shù)

1.2 FU350 型鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)使用工況

FU350 型鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)在“863”催化劑制備裝置中承擔(dān)著將球磨機(jī)、選粉機(jī)生產(chǎn)出的不合格催化劑粉料返回球磨機(jī)內(nèi)繼續(xù)加工。該物料由煤粉、水合氧化鐵和少量硫酸銨組成，呈弱堿性且易燃，最大粒度約1 mm，水分含量4%左右，溫度50～120 ℃，腐蝕性和磨琢性較弱。鏈條以0.21 m/s 的速度運(yùn)行，全年連續(xù)運(yùn)行約310 d。輸送機(jī)鏈條在密閉粉塵、有溫度、無潤(rùn)滑的條件下運(yùn)行，投產(chǎn)運(yùn)行13 年，在此工況下出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)部件磨損、跳鏈、堵料等不良現(xiàn)象，造成搶修難度大、耗時(shí)長(zhǎng)，影響裝置負(fù)荷。

2 原因分析

2.1 鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)磨損狀況

FU350 型鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)運(yùn)行過程中，輸送系統(tǒng)零部件的磨損是制約其穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

2.1.1 正常磨損

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求，該鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)整機(jī)壽命≥20 年，不包含易損件。有關(guān)技術(shù)說明介紹，用優(yōu)質(zhì)合金鋼經(jīng)先進(jìn)的熱處理手段加工而成的輸送鏈，正常壽命超過5 年，輸送鏈的滾子壽命（不同物料）不低于2～3 年。該輸送機(jī)在此工況下易損件的失效情況基本正常。

輸送系統(tǒng)正常磨損狀況：L 形鏈鉤短臂底面、長(zhǎng)臂側(cè)面出現(xiàn)輕微磨損；鏈板中內(nèi)鏈板底面靠近內(nèi)側(cè)的磨損較外側(cè)嚴(yán)重，外鏈板基本完好；滾子套中80%圓柱面磨損成為紡錘形，20%出現(xiàn)單側(cè)磨損，整體呈均勻磨損態(tài)勢(shì)；軌道、托輪、導(dǎo)向接觸面兩邊均出現(xiàn)不同程度的磨損；部分箱體底面、側(cè)面，鏈輪也存在局部磨損跡象。達(dá)到磨損壽命時(shí)限時(shí)該輸送機(jī)出現(xiàn)異響，出力減小、電流增大、振動(dòng)增大，按計(jì)劃?rùn)z修更換失效零部件后即可恢復(fù)平穩(wěn)運(yùn)行。

2.1.2 異常磨損

該輸送機(jī)的異常磨損與正常磨損部位一致，區(qū)別在磨損程度嚴(yán)重、磨損時(shí)間短、斷鏈突發(fā)性強(qiáng)、搶修難度大、影響裝置負(fù)荷大、經(jīng)濟(jì)損失大。

（1）輸送鏈銷軸、定位套筒、滾子套：滾子套約2/3 被磨掉，由圓柱變?yōu)閳A環(huán)（圖1a）；磨損由滾子套、定位套筒、銷軸表面逐層深入，全部發(fā)生在一端（圖1b））。定位套筒表面兩側(cè)同時(shí)磨損，一側(cè)重、另一側(cè)輕（圖2）。異常狀況下約50%的鉸鏈發(fā)生此類磨損。鉸鏈連接處的嚴(yán)重磨損致使鏈條強(qiáng)度降低、運(yùn)行穩(wěn)定性變差、斷鏈風(fēng)險(xiǎn)增大。

（2）輸送鏈鏈板、鏈鉤：鏈板磨損與滾子套的磨損在同側(cè)，內(nèi)鏈板劇烈磨損使銷孔壁磨穿、出現(xiàn)雙面刃，外鏈板相對(duì)較輕（圖3）；L 形鏈鉤長(zhǎng)短臂外側(cè)均磨損8 mm 左右（圖4）。鏈板、鏈鉤磨損將導(dǎo)致運(yùn)行穩(wěn)定性差、磨損加劇、輸送效率降低。

（3）導(dǎo)軌、導(dǎo)向輪、鏈輪、托輪、箱體：導(dǎo)軌磨損機(jī)尾較機(jī)頭嚴(yán)重、上層較下層嚴(yán)重，導(dǎo)軌與滾子接觸面兩側(cè)邊深度磨損，棱邊磨成弧面、整個(gè)表面呈凸面狀，尾部上導(dǎo)軌磨出尖刃后斷裂一節(jié)。導(dǎo)向輪和托輪與滾子的接觸面兩邊磨出不規(guī)則倒角，局部出現(xiàn)缺口。箱體的損傷主要在底面，部分點(diǎn)有磨穿跡象。主動(dòng)鏈輪與滾子接觸的表面具有類似磨損，各附件的磨損使鏈條穩(wěn)定性變得更差。

2.2 鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)磨損原因分析

2.2.1 材質(zhì)分析

用NitonXL2 光譜儀對(duì)輸送機(jī)原裝鏈（A）、磨損鏈（B）、更換鏈（C）的鏈板、滾子、鏈鉤做材質(zhì)分析，結(jié)果見表3。三組滾子套中B組Fe 含量與C 組相差0.9%，Mn 含量比A 組高0.221%，起耐磨作用的Cr 含量較A 組低0.134%，鏈板與鏈鉤不參與滾動(dòng)摩擦，F(xiàn)e、Mn 含量相差不大。通過對(duì)比分析滾子套材質(zhì)屬Cr 鋼組[4]，與原裝材料20Cr、40Cr 相比，磨損鏈的Cr 含量稍低，耐磨性稍差。

表3 鏈條零件主要金屬元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.2.2 磨損原因分析

（1）輸送鏈自身運(yùn)動(dòng)特性。滾子鏈運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于一條鏈繞在多邊形輪子上的運(yùn)動(dòng)，速度不均勻且產(chǎn)生動(dòng)載荷是其固有特性，多邊形效應(yīng)引起鏈輪鏈條嚙合的沖擊，最大應(yīng)力發(fā)生在開始嚙合處，該處為鏈條和輪齒磨損最快區(qū)域。同時(shí)滾子套是整臺(tái)設(shè)備的主要易損件。這兩個(gè)天然因素直接影響該鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)的平穩(wěn)性和運(yùn)動(dòng)精度。

輸送鏈主從動(dòng)輪按順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，下層為緊邊、上層為松邊。輸送鏈條緊邊受主動(dòng)輪的拉力，滾子套與下導(dǎo)軌的接觸壓力較小，松邊受重力作用，滾子套下垂與上導(dǎo)軌的接觸壓力大，即松邊摩擦力大，磨損相對(duì)嚴(yán)重?？拷鲃?dòng)輪端在托輪支撐下上層鏈條的重心在后半段，輸送鏈運(yùn)動(dòng)到后半段時(shí)磨損加重。

（2）輸送鏈備件產(chǎn)生的影響。從材質(zhì)分析可知，滾子套與定位套材料間存在微小區(qū)別，其熱膨脹系數(shù)也有差別，在長(zhǎng)期受熱料影響后產(chǎn)生不同的膨脹變形[6]，其相配合間隙發(fā)生變化，影響兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)備件保管不當(dāng)，造成鏈條生銹，部分滾子套與銷軸定位套的間隙生銹粘接，安裝時(shí)處理不徹底，使得運(yùn)行后增加了滾子套失效的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）輸送鏈維保不到位的影響。在安裝維護(hù)時(shí)，頭輪、托輪、導(dǎo)向輪、箱體的裝配精度低，三輪的對(duì)中、與箱體的對(duì)中靠人工找參照物對(duì)比，相對(duì)誤差大，安裝后鏈條偏斜運(yùn)行，磨損逐漸加劇。如果在維護(hù)時(shí)沒有系統(tǒng)性地更換內(nèi)部易損件，局部維修難以改善整體運(yùn)行的不穩(wěn)定性，將會(huì)縮短失效時(shí)間。

（4）輸送鏈工作中存在的影響。鏈條頭輪、托輪、導(dǎo)向輪隨著工作時(shí)間的增加，配合精度下降。頭輪齒距磨損增大、接觸面變形，與鏈條嚙合精度降低；托輪、導(dǎo)向輪的接觸面同樣磨損變形。使?jié)L子鏈運(yùn)動(dòng)的多邊形效應(yīng)突顯，運(yùn)行穩(wěn)定性更差。

輸送鏈滾子套與鏈輪齒嚙合，在導(dǎo)軌上做滾動(dòng)摩擦運(yùn)動(dòng)。從滾子套的磨損痕跡可推斷滾子套在回轉(zhuǎn)過程中由滾動(dòng)摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦。滾動(dòng)的圓柱表面產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)磨損平面會(huì)使?jié)L動(dòng)摩擦完全失效。滾子套磨損嚴(yán)重后輸送鏈節(jié)距增加，輸送系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，引起張緊力不足且沒有得到及時(shí)調(diào)整，使鏈條落到導(dǎo)軌上爬行運(yùn)行，將整個(gè)鏈條帶入惡性循環(huán)磨損狀態(tài)。

導(dǎo)軌與鏈板、鏈板與箱體、鏈鉤與箱體的相互磨損都是由于整個(gè)鏈條的惡性運(yùn)行導(dǎo)致的。內(nèi)鏈板與導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)接觸，而與外鏈板相對(duì)較遠(yuǎn)，在回轉(zhuǎn)中鏈板磨損內(nèi)重外輕。導(dǎo)軌磨損后引起鏈板下邊與箱體接觸、鏈板的磨損進(jìn)一步引起鏈鉤底側(cè)與箱體接觸，鏈條偏向一側(cè)運(yùn)行引起鏈鉤側(cè)面與箱體接觸，通過觀察發(fā)現(xiàn)這些相對(duì)接觸磨損面有犁溝形磨痕，屬典型的磨粒磨損。

（5）工藝運(yùn)行對(duì)輸送鏈的影響。裝置低負(fù)荷運(yùn)行期間物料少，正常鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)的輸送能力應(yīng)達(dá)到出力的65%，即7.8～13 t/h，而低負(fù)荷期間裝置投料28 t/h 左右，不合格料較少，達(dá)不到輸送機(jī)的穩(wěn)定出力。輸送鏈整體磨損后運(yùn)行不穩(wěn)定，輸送能力下降，返回到球磨機(jī)的粉料減少，球磨機(jī)負(fù)荷減小，磨球相對(duì)磨損加大，產(chǎn)生大量鐵屑磨粒又將返回輸送機(jī)。因此，一方面由催化劑粗粉料、上游系統(tǒng)帶來的磨球鐵屑、磨損產(chǎn)生的金屬微粒等硬顆粒進(jìn)入滾子套與定位套的間隙中[5]，限制了兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；另一方面過薄的料層導(dǎo)致輸送鏈在箱體內(nèi)部與其他部件接觸摩擦的概率增加，且硬質(zhì)顆粒的循環(huán)存在，這些都將引起輸送系統(tǒng)加速磨損。

2.3 結(jié)論

綜上分析可知，引起鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)異常磨損是綜合因素的結(jié)果。其主要原因是輸送鏈滾子套生銹后安裝時(shí)處理不徹底、輸送環(huán)境惡劣、安裝精度差、維修不徹底，在這些因素的影響下將鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)的運(yùn)行帶入惡性循環(huán)中，直到異常磨損發(fā)生后故障停機(jī)。其次是易損件材質(zhì)不能滿足工藝要求。設(shè)備本身的特性、維護(hù)不到位等是次要原因。

3 解決思路

根據(jù)該鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)異常磨損分析，結(jié)合多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出以下5 項(xiàng)措施，為輸送機(jī)優(yōu)化運(yùn)行提供參考。

（1）制造加工過程中優(yōu)化選材。隨著技術(shù)的進(jìn)步，耐磨性能更優(yōu)良的金屬材料在粉體設(shè)備中得到了更多應(yīng)用。該輸送鏈中鏈板可以選用BTW 鋼，這種熱軋奧氏體中錳鋼中C、Mn 及合金元素含量得到合理調(diào)整后奧氏體在常溫時(shí)的穩(wěn)定性減弱，在中、低載荷下通過變形可產(chǎn)生明顯的硬化效果使耐磨性增強(qiáng)[6]；定位套筒可選用27SiMn 合金鋼，其在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下具有較高的強(qiáng)度和耐磨性；滾子套可選用球磨鑄鐵QT400，球墨鑄鐵以鐵液中加入球化劑后形成的一種碳，它以球狀石墨的形式形核生長(zhǎng)，并在凝固后組織中得到球狀石墨的高強(qiáng)度鑄鐵材料，其綜合性能接近于鋼，已用于鑄造一些受力復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性、耐磨性要求較高的零件；銷軸可選用35MnB，其為中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，具有較高的塑性、較好的沖擊韌度、良好的淬透性，硬度高、耐磨性能優(yōu)良。

（2）備件要科學(xué)保管，為防銹、防氧化、防腐蝕做定期保養(yǎng)。完好的備件是設(shè)備維護(hù)的有力保障，庫存中異常備件在安裝時(shí)提前處理，保證運(yùn)動(dòng)部位靈活可靠，配合間隙符合技術(shù)要求。

（3）維修設(shè)備時(shí)要綜合評(píng)估系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)零部件狀況、成套更換易損件，提升鉗工裝配水平、借助先進(jìn)儀器保障裝配的精度要求，最基礎(chǔ)的三輪一箱的中心線要重合，將誤差降到±4 mm 以內(nèi)。

（4）運(yùn)行中重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備內(nèi)部易損件檢查，及時(shí)調(diào)整輸送鏈的張緊程度?？稍跈C(jī)尾絲杠上加裝糾偏彈簧，其利用彈簧的伸縮變形對(duì)鏈條的跑偏微調(diào)，結(jié)合絲杠的粗調(diào)可及時(shí)防止因鏈條變長(zhǎng)產(chǎn)生的影響；也可在DCS 畫面上加鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)的電流顯示，如果內(nèi)部有異常，電流曲線就會(huì)顯示其變化。

（5）當(dāng)料層高度與機(jī)槽寬度的比值滿足一定條件時(shí)，運(yùn)行中可保證粉料流動(dòng)穩(wěn)定，減少空轉(zhuǎn)帶來的磨損，由以下公式可知該鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)在該工況下高寬比滿足11/35～18/35，即通過調(diào)整上游入料量、風(fēng)量、選粉機(jī)轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)此比值，達(dá)到最優(yōu)出力。

鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)輸送量簡(jiǎn)易計(jì)算公式[7]：Q=3600BHμηγk0，式中Q 是鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)輸送量，12～20 t/h；B 是料槽有效寬度，0.35 m；H 是料槽有效深度，m；μ 是鏈速，0.21 m/s；η 是輸送效率，η=η0k0，η0為水平輸送效率，當(dāng)B≤20 cm 時(shí)，η0=0.75～0.85，當(dāng)B>20 cm時(shí)，η0=0.65～0.75，本文η0取0.7，k0為傾角系數(shù)，本文（傾角β 0～2.5°）取1.0，γ 是物料體積質(zhì)量，0.6 t/m3。

4 結(jié)語

FU350 鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)在“863”催化劑制備應(yīng)用中遇到的磨損問題，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析解決，解決措施還需要在今后的運(yùn)行中進(jìn)一步檢驗(yàn)。通過對(duì)輸送系統(tǒng)磨損分析及提出的解決思路，可以為FU 型鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)在工業(yè)上的優(yōu)化應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)，使其不斷完善改進(jìn)。