纯碱生产中MS型单排模锻链埋刮板输送机的探讨

孟庆华

(南化集团连云港碱厂,江苏 连云港 222042)

纯碱生产中MS型单排模锻链埋刮板输送机的探讨

孟庆华

(南化集团连云港碱厂,江苏 连云港 222042)

通过对纯碱生产企业中常用的纯碱运输设备的MS型单排模锻链埋刮板输送机的输送原理、设计步骤、主要技术参数、常见问题等方面进行了探讨,通过探讨希望在以后的MS型单排模锻链埋刮板输送设备在设计、制造以及在实际生产中能够更加完善。

单排模锻;埋刮板;链节;计算

由于我国化工企业起步较晚,大型的纯碱生产企业大部分在上世纪70年代开始建设,上世纪80年代,我国纯碱生产企业开始将埋刮板输送机运用到纯碱运输中,1981年,大连化机厂和天津碱厂开始使用埋刮板输送机代替螺旋输送机来输送纯碱。埋刮板输送机的技术和工艺为国外引进,其中美国、德国、日本技术较为先进,我国埋刮板输送机制造厂家多为原化工部组织对进口设备攻关、测绘和国产化所发展起来的,国内三门峡高新机械有限公司、江苏运输机械厂、沈阳飞机气动力实验厂技术发展较为成熟,其中三门峡高新机械有限公司发展较早,近10年内沈阳飞机气动力实验厂市场占有率较高,国内超过60万t/a的碱厂在同类产品中占有率达80%。在纯碱的运输中,MS型单排模锻链埋刮板输送机目前主要用于成品碱的输送。本文以笔者工作中的经验和教训,对纯碱埋刮板输送机使用中的几个问题提出了一些看法,希望能对今后该设备的设计工作有所启示,使埋刮板输送机在各行业的应用得到更进一步的推广和发展。

1 物料的特征及埋刮板的技术参数

在纯碱生产企业,埋刮板主要用于煅烧工序和成品包装工序,特别在煅烧工序,由于纯碱的温度较高,物料飞扬,一般的输送设备很难满足使用要求,埋刮板由于它结构简单、壳体密封性好、耐高温等优点,对改善操作条件和防止环境污染等有很大的帮助,所以在各大碱厂埋刮板输送机在此工序中得到普遍的运用。本文用我厂最大型号的MS63埋刮板进行研究。表1、2分别为我厂物料的特征及埋刮板的技术参数。

表1 煅烧工序中纯碱物料的特征

表2 我厂煅烧工序中选用埋刮板的技术参数

1.1 MS63型单排模锻链埋刮板输送机的结构

我厂单排模锻链埋刮板输送机的链节型式多为B型,主要用于输送轻灰炉内生产出的成品纯碱,其中MS63型单排模锻链埋刮板输送机由大量链节组合而成,研究刮板必须从单独的每一个链节开始研究,单独链节结构见图1:

图1 单链节结构图

每一个链节由联接拉杆和翅片组成,拉杆材质为20CrMnTi,翅片为普通碳钢,翅片与拉杆采用锻件,然后焊接而成,见图2:表3为MS63型单排模锻链埋刮板输送机的技术参数。

图2 翅片与拉杆焊接图

表3 MS63型单排模锻链埋刮板输送机的技术参数

2 MS型单排模锻链埋刮板输送机计算公式上的探讨

2.1 参考资料中的计算方法

在以往的技术总结和手册中,对于MS型单排模锻链埋刮板输送机的计算着重分析了每米长度物料重量Gv,埋刮板输送能力Q和物料层的高度 H,在选型的计算公式上主要用到的技术参数包括机槽宽度、承载机槽高度、刮板链条的速度及安装倾角等,然后根据产量要求计算选型,确定具体机型宽度、承载机槽的高度、刮板链条的速度。

2.1.1 输送量Q0的计算

在化学工业出版社最新出版的《运输机械设计手册》中,给出的公式为Q0=3 600×B×H×ν×η (2-1)(P9),没有将物料容重γ计算在内,这样算出的结果与实际偏差较大,在纯碱生产中,纯碱的物料容重γ为0.6 t/m,结果相差几乎达到一半,所以在实际计算中,应该将纯碱的物料容重γ考虑在内。江苏运输机械厂的资料《埋刮板输送机通用设计选用手册》给出的公式为Q0=3 600×B×H×ν×γ× η(2-2)(P17),两公式相比较后者较为合理。

采用计算公式Q0=3 600×B×H×ν×γ×η对现场成品刮板进行计算。

式中:Q0——计算输送量,m3/h;

B——机槽宽度,m;

H——承载机槽高度,m;

ν——刮板链条的速度,m/s;

η——输送效率,%;

γ——物料容重,t/m3。

同时要求计算所得的 Q0值满足Q0≥Qmax,式中Qmax为使用要求的最大输送量,单位m3/h。

计算中注意事项:

1)机槽宽度、承载机槽的高度是结合物料的粒度特性和产量要求来进行选择。

2)刮板链条的运行速度应根据物料特性、输送原理、结构特点、功率消耗、使用寿命和工艺要求来选定范围,一般刮板链条的速度选用范围为0.08～1.00 m/s之间。

3)输送效率的选择主要与物料特性有关,但也要考虑刮板链条速度、刮板链条型式、机槽尺寸和使用条件、倾斜系数等因素的影响。

例如:在我厂成品刮板选型中,设计计算如下:

其中已知B—机槽宽度,0.63 m;H—承载机槽高度,0.8 m;ν—刮板链条的速度,0.5m/s;γ—物料容重,0.6 t/m3;Qmax=90 t/h;η—输送效率,部分资料取值为70%,但对于纯碱这类物料压结性比较大,应取小值,故取60%;代入公式:

2.1.2 刮板链条张力 F的计算

当0°<α≤15°时;

现场刮板使用为水平安装,夹角α=0°,《运输机械设计手册》中给出的公式为:

手册中输送物料时刮板链条与刮板壳体间的摩擦系数 f′建议取0.5;

式中:

L0——输送机的长度,我厂为45 m;

F——刮板链条绕入头轮时的张力,即刮板链条最大张力,N;

m——刮板链条每米的质量,kg;

g——重力加速度,取9.81 m/s2;

φ——物料的内摩擦角,即堆积角,纯碱为35°,流动性较好;

φ1——物料的外摩擦角,纯碱为30°;

n——物料对机槽两侧的测压系数,

x——动力系数,当v≤0.32 m/s时,x=1.0,

当v>0.32 m/s时,x=1.5;

h′——输送物料的料层的高度,单位m,

B——机槽的宽度。

江苏运输机械厂的《埋刮板输送机通用设计选用手册》给出的公式与《运输机械设计手册》的公式相同。首先计算:

2.1.3 刮板电动机功率 P0的计算

式中:P0——输送机所需电动机计算功率,kW;

v——刮板链条的速度,m/s;

F——刮板链条绕入头轮时的张力,即刮板链条最大张力,单位N;

K——电动机功率备用系数,取 K=1.1～1.3;

ηm——传动效率,ηm=η1η2(2-11),式中:η1为减速机的传动效率,η1=0.92～0.94,取0.93;η2为开式链传动的传动效率,η2=0.85～0.90,取0.88。

所以:P0=K(Fv/1 000ηm) =1.2×(43 724.6×0.5/1 000 ×0.93×0.88) =32.1 kW

实际运行电机功率为37 kW。

2.2 计算结果与实际使用中的偏差

在上述计算公式中,刮板机输送量Q0远远大于Qmax90 t/h为326.592 t/h,但在后面的刮板链条张力 F以及刮板电动机功率 P0的计算中,算出电动机功率 P0为32.9 kW,与实际情况近似。如果单独看功率,计算应该没有问题,但是如果对计算过程逐步推敲,那么刮板机输送量Q0为326.592 t/h的值是不正确的,因为在实际运行中,刮板机是无法满足这个输送量。

2.2.1 埋刮板输送原理及特点的一般认知

在各类资料中,大家对埋刮板输送机原理一般都是如下认识:散装物料具有内摩擦力和侧压力等特征,在水平输送时,物料受到刮板链条在运动方向的推力及物料自身重力的作用,物料层之间产生了内摩擦力,当料层间的内摩擦力大于物料与槽壁间的外摩擦力时,物料就随同刮板链条形成连续整体的物料流而被输送。在料层高度与机槽宽度之比值一定的条件时,料流是稳定的。在各种资料中的解释,水平输送时,由于物料受到刮板链条在运动方向的推力及物料自重的作用,从而在物料间产生了摩擦力,这种摩擦力保证了料层之间的稳定状态,并足以克服物料在机槽中移动的而产生的外摩擦力,致使物料形成连续整体的料流而被输送。

2.2.2 计算中输送量 Q0与实际输送量 Qmax的偏差探讨

通过对刮板机输送量的计算可以看出,用各种资料中提供的Q0=3 600B Hν γ η(2-2)公式计算出的输送量远远大于实际的输送量,在输送量Q0的计算中可以看出,实际生产中最大的输送量Qmax为90 t/h,而计算出来的数值Q0为326.592 t/h,是实际值的近4倍,其中最主要的问题就是 H值的取值偏差。

在所有的资料中,对Q0=3 600B Hν γ η(2-2)公式中的 H说明为机槽高度或承载机槽高度,这种说法明显不够严谨。MS63刮板的机槽高度为0.8 m,上部为回程链条的导轨,回程链条与工作链条运行方向正好相反,如果物料充满了整个箱体,那么,回程的链条将会把物料向相反的方向输送,整个物料的运动变得十分无序,能量的损失将会加大。其实在实际运行中,根据现场测量,正常工作时运输物料的层厚一般是刮板翅片高度的1.3～1.6倍, MS63刮板链节翅片的高度为0.16 m,实际物料的层厚一般在0.208～0.256 m,如果刮板内物料过多,容易出现电流跑高、减速机振动严重、翅片变形、运输链条跑偏等问题,而且物料过多时,物料的流动性大大降低,导致箱体内的物料越堆越多,后果十分严重。考虑到瞬间涌碱的量,取最大 H=0.26 m代入公式计算可得:

这个值与实际使用情况基本相符,所以,公式中的 H值应为物料料层的高度,而不应该为箱体的高度。

2.2.3 刮板链条张力 F计算中存在的疑点

在大部分的资料中对于MS型单排链埋刮板链条张力的 F计算公式为:

手册中输送物料时刮板链条与刮板壳体间的摩擦系数f′建议取0.5;另外对于物料每米质量mv所给出的单位kg,公式是:

对此处,笔者有几点疑问:①输送物料时刮板链节与刮板壳体间的摩擦系数 f′建议取0.5,有何参照?是否考虑到料层在刮板上施加的重力?物料与链节以及箱体之间的摩擦力是否考虑?运输链节跑偏时,运输链节对箱体的侧壁的摩擦力是否考虑?另外刮板运输链节在回程导轨上的摩擦力是否考虑?这些在所有的资料中都明确的阐述;②物料每米质量mv所给出的单位kg,公式是:

这个公式存在疑点,Q0的单位是t/h,γ为物料容重,单位是t/m3,3.6是式中给出的常数,v是链条运行的速度,单位m/s,单纯的从各单位计算的结果可以看出,最后算出结果单位为t2s/m4·h,根本就不是质量的单位kg;③公式是mv=Q0γ/3.6v(2 -5)中仍然使用 Q0作为标准,如果 Q0错误,所以很难保证mv的正确性;④输送物料料层的高度计算公式为h′=Qmaxh/Q0,这个公式是经不住推敲的,因为MS型箱体工作链节和回程链节在同一箱体内,料层不可能充满箱体,最大输送量 h′和h没有可比性。

对于物料每米质量 mv,可以用 mv=B HLγ(2 -12)来计算,其中L为1 m的长度,这是因为正常计算中都是考虑到物料的稳定运行,在物料正常运行中,每米的质量是不变,也可以说单位体积也是不变的,所以用单位体积与单位物料容重相乘就可以算出物料每米的质量。所以:

暂且用刮板链条与刮板壳体间的摩擦系数 f′建议值0.5,所以:

所以,刮板电动机功率 P0的计算:

与实际选型中的电动机功率37 kW十分相近。

2.2.4 MS型单排模锻链埋刮板输送机的摩擦分析不够全面

在上一节中对输送物料时刮板链节与刮板壳体间的摩擦系数 f′建议值为什么取0.5提出疑问,在各类资料中没有明确的阐述。其实刮板输送机工作过程所存在的摩擦是一个非常复杂的问题,如果要将其分析透彻,有很大的难度。MS型单排模锻链埋刮板输送机工作时,运输链节在箱体内属于滑动运行,摩擦力较大,所以,电动机大部分的做功属于克服摩擦力做功。总体看来应该考虑以下几个方面的摩擦力:①刮板链节与刮板下箱体之间的摩擦力;②刮板跑偏时与箱体侧壁的摩擦力;③物料在刮板翅片施加的重力转化为翅片与箱体之间的摩擦力;④链节在回程导轨上的摩擦力;⑤链节与主动轮、从动轮之间的摩擦力;⑥链节与物料之间摩擦力;⑦物料与箱体之间的摩擦力。所有这些摩擦力都需要刮板链条张力 F来克服,其中最主要的是链节与物料以及物料之间的摩擦力带动了物料的运动,为有用功,其余的摩擦力都是无用功。

从纯碱的内摩擦角φ为35°可以看出纯碱的流动性较好,f摩取0.3,单纯的从克服物料重力所产生的摩擦力做功可以做如下计算:

在2.2.3节通过实际计算可知 P0实际30.85 kW,远大于单纯克服物料摩擦力所做的功,大约有69%的做功都消耗在克服链节与箱体、导轨之间的摩擦上。所以笔者认为,通过滑动链节来带动物料输送的刮板机的未来研究方向应该是重点在如何减小因摩擦带来的损耗方面进行攻关和改进。

2.2.5 物料流动与物料静止时对链条拉力的影响研究不足

在资料中计算链条所受的拉力时,均考虑每米物料的重量,这种重量为静止时物料所受的重力。其实在物料运动过程中,物料时刻处于流动状态,在流动过程中物料自身存在一定的动能和势能,链条带动物料所需能量应小于物料静态时突然运动所需的能量,所以在埋刮板输送机检修中一定要将机箱内的物料拉空,而且不能在检修或检查过程中开开停停,如果物料入口处的插板没有插死或者密封性差,刮板机的开开停停导致机箱内堆料严重,大大超出了正常运行时的载荷,此时如果强行启动设备,链条的受力瞬间达到很大值,很容易使链条拉断。

2.3 MS型单排模锻链埋刮板输送机常见故障及分析

由于MS型单排模锻链埋刮板输送机结构简单,运行中相对稳定,常见的故障有翅片变形、翅片脱落、运输链节跑偏、链节拉杆断裂等几个方面。

2.3.1 链节翅片断裂变形

MS型单排模锻链埋刮板输送机出现故障最多就是链节的翅片变形,通过图3刮板机截面示意图可以看出来,链节在运行中,受到阻力最大的部位就是翅片,常见的有翅片断裂、联接筋板开裂、翅片变形,其中严重时出现过整条链节大部分翅片向一个方向倾斜。通过对变形翅片以及箱体的观察,造成这些故障的原因有:①当箱体内物料过多时,翅片受力较大,如果长时间的超负荷运行,翅片容易出现向一个方向倾斜;特别当箱体内进入异物且没有及时发现的时候,在很短的时间内,链节会出现严重倾斜现象;②当运输链节过松时,松弛的链节会在回程段体现出来,这时松弛的链节在运行无法保持平衡,左右摆动的链节碰到导轨的支撑时,链节也容易出现翅片断裂或变形的现象;③翅片与拉杆为焊接联接,通过图2照片可以清楚看出,我厂在使用过程中,曾出现过翅片与拉杆焊接处脱焊,翅片整体脱落,不但造成其它链节的损坏,而且对后系统也造成一定的影响,后判断为焊接质量出现问题,及时与制造厂家联系,改进焊接工艺,消除事故的发生。

图3 MS型单排模锻链埋刮板输送机截面示意图

2.3.2 运输链节跑偏

新安装的刮板机经过一段时间的运行会出现运输链节跑偏的情况,刮板机越长越容易出现跑偏,导致的原因有以下几个方面:①箱体松动,整体箱体不能保证对中;②导轨长时间磨损,出现一边高一边低的现象;③头轮、尾轮和导轨不对中;④尾部拉紧装置两侧进程不一致;⑤安装时箱体两侧对称中心面的对称度偏差过大。当链条跑偏时应及时处理,否则会对链节产生影响,容易出现变形等问题。从链节跑偏的原因可以看出,在日常维护中应注意尾部拉紧装置的调节,既要保证运输链条张紧度,又要保证拉紧装置两侧的进程一致;另外在箱体上可以焊接楔形的导向块来调整链条的跑偏,特别在头轮和尾轮处焊接楔形导向块可以有效地保证链节、头轮和尾轮对中。对于导轨应定期更换,以免出现因磨损导致导轨一边高一边低的现象。在刮板运行过程中,注意下料不能落在箱体的一侧,那样很容易造成链节的跑偏。

2.3.3 链节拉杆断裂

埋刮板链节拉杆断裂是非常严重的事故,而且多数链节拉杆断裂出现在正常运行的工作状态,箱体内物料较多,链节更换后,如果不清除箱体内的物料强行将刮板开启,很容易造成刮板链节的二次拉伤,这个原因在前面2.2.5中已经详细阐述。由于物料分布在链节之间,清理物料十分困难,工作量较大,处理时间较长,对于纯碱工艺连续生产影响较大。所以链节拉杆断裂在刮板机的维护中应放在十分重要的问题,对于每次链节拉杆断裂的原因应深入分析,找出导致事故的根源,以避免再次出现类似的情况。

通过多年来对链节拉杆断裂部位及现场情况的观察,断裂部位多发生在安装翅片拉杆的背面,远离翅片端,如图4所示。

拉杆断裂主要有以下几种原因:①拉杆锻造时出现质量问题,许用载荷无法满足实际需要;②安装不当导致运行时振动,链节与箱体、导轨、头尾轮撞击严重,导致上下左右较大的错移,致使刮板链节被卡住过载断裂;③物料中出现异物,链节在运行中突然被卡住过载;④链节跑偏,链节与头轮、尾轮接触时出现过度的摩擦(图4所示位置即为摩擦点),长时间的摩擦导致链节磨损,而且在回程段时磨损处紧贴导轨,日常检查很难发现,这是日常链节断裂出现最多的情况。这时应及时调整链节与头尾轮的对中,并且对其它链节仔细检查,及时更换。

3 MS型单排模锻链埋刮板输送机未来发展方向

通过多年使用,目前刮板机在使用过程中虽然整体稳定,但是依然存在上述的各种问题,在连续生产的化工行业对生产依然造成很大的冲击,容易造成生产的中断以及物料的损耗;同时,通过计算分析,此类型的刮板机能耗较大,所以,笔者建议MS型单排模锻链埋刮板输送机以后应从能耗、性能改进方面加大力度。目前国内刮板输送机的技术多为学习国外的成功经验,在自身研究发展上存在一定欠缺,埋刮板在国内发展的30年中,除材质有所变化外,别的方面几乎没有多少进展。

3.1 重点在能耗上进行改进

通过上面2.2.4对MS型单排模锻链埋刮板输送机的摩擦分析可以看出,刮板机电动机输出的功率大约69%损耗在链节运输过程克服箱体、导轨的摩擦上,而且摩擦也容易导致各部件的损坏。

在单排模锻埋刮板输送机的研究中,目前国内大部分采用滑动运行物料,在摩擦学中,滑动摩擦的能耗远远大于滚动摩擦的能耗,如果能将单排模锻埋刮板由滑动改为滚动会起到很好的效果,目前纯碱企业有用于外返碱的MX型双排链埋刮板输送机,它采用就是双排链+滚轮的方式,能耗远低于单排模锻埋刮板。从摩擦的方面分析单排模锻埋刮板,可以看出最大的损耗在链节克服箱体、导轨的滑动摩擦上,所以在这两处进行改进;单排模锻埋刮板如果单纯从传动过程考虑,可以采用以下的结构(图5),滚轮在链节上下都有安装,因为链节在回程和工作段应用到不同的接触面,每个链节上的滚轮可加一个或多个。同时对头尾轮、导轨等做出相应的改造。回程段最大的问题就是保证链节的平衡性,所以在较少链节与箱体侧壁摩擦力的同时还应注意保持链节的平衡。由于条件有限,没有做过相应的实验,刮板机制造厂家可以利用自身有利的条件进行改造。

图5 链节装滚轮示意图

3.2 驱动装置的改进

根据生产的具体情况,物料在输送过程中量的变化比较频繁,所用的功率也会因此改变,在这种情况下,采用变频或电磁调速会很好地适应工艺条件的变化,从而达到节能降耗的目的。同时在调速过程中可以有效地减轻磨损,延长设备的使用寿命。

3.3 增加过载保护和故障检测功能

纯碱的生产是连续运行的,刮板机在物料的输送环节作用非常重要,经过实际情况,在每次的成品刮板机出现故障后,都会影响到整个工艺的波动,造成生产能耗的增加。所以在刮板机运行中增加机械过载或电流过载保护功能,增加断链保护和断链报警(与尾部速度监测联动),可以有效地避免设备严重的损坏。

总之,我国的埋刮板输送机在发展过程还应坚持走技术创新之路,总结经验,降低消耗,提高装置的稳定性,更好地将埋刮板输送机在各个行业进一步的推广和应用。

TH 227

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1005-8370(2010)05—07—07

2010-06-10

孟庆华(1976—),大学本科,工程师,连云港碱厂煅烧车间副主任。