双进双出钢球磨煤机螺旋推进器支撑杆断裂的分析

上海神开石油测控技术有限公司 上海 201114

1 双进双出钢球磨煤机概述

制粉系统的磨煤机作为电厂关键设备,负责给锅炉提供燃料,其安全稳定运行对整个机组有至关重要的作用,部分火力发电厂制粉系统的磨煤机采用双进双出钢球磨煤机。如图1所示,双进双出钢球磨煤机的结构主要包含给煤机、落煤管、螺旋输送器、筒体、分离器等部件,其制粉原理如下:原煤由给煤机输送到落煤管,落入螺旋推进器的端盘侧;在螺旋推进器螺旋叶片的旋转推进作用下,原煤送入磨煤机筒体中;筒体中的钢球将原煤破碎碾磨成粉,通过热风将煤粉输送到煤粉分离器;分离器对粗细煤粉进行分离,合格细度的煤粉吹入锅炉燃烧,不合格细度的煤粉返回到磨煤机中继续研磨[1-2]。

双进双出钢球磨煤机螺旋推进器的结构通道,既是原煤输入通道,也是煤粉输出通道,承载力大,磨损严重,设备运行温度较高,工况恶劣,是一种易损设备。在使用中一直存在多方面的问题,检修工作量繁重,备件更换频繁,热风和煤粉泄露严重,对机组安全、经济、稳定运行存在较大影响[3-4]。

2 螺旋推进器结构

如图2所示,螺旋推进器主要包含轴承座、螺旋叶片、中心管、中空管、筒体衬板和支撑杆。其中,四片螺旋叶片同轴均布在中心管外侧,每片螺旋叶片通过环形挂链连接到中心管上,螺旋叶片径向可收缩,轴向可以窜动;支撑杆共有四根,呈圆周方向均布,每根支撑杆不带螺纹的一端伸进筒体衬板的孔窝内,车制螺纹的另一端则通过双螺母与筒体连接固定;中心管的一端通过中心轴支撑在位于热风盒上的轴承座上,另一端通过四根支撑杆支撑在筒体内壁上;中心管的内部为热风进风通道,中心管外壁与中空管内壁之间形成的环形间隙,底部为原煤进入筒体的通道,上部为研磨后的煤粉输出通道。

图2 螺旋推进器结构

3 螺旋推进器工作原理

当双进双出钢球磨煤机筒体旋转的同时,通过四根支撑杆带动中心管和螺旋叶片一起旋转,依靠螺旋叶片的旋转推动作用,将位于螺旋推进器端盘侧的原煤从底部环形通道输送到筒体内部。在螺旋推进器的传动系统中,对螺旋叶片巨大的驱动力是由四根支撑杆来传递的,因此支撑杆结构的合理性、强度的高低、运行状况的优劣直接影响到磨煤机是否能够正常运行,进而对整个制粉系统和机组的运行产生影响[5-6]。

4 螺旋推进器支撑杆使用现状

经充分调研和电厂用户的反馈情况,双进双出钢球磨煤机的螺旋推进器支撑杆在使用过程中经常发生断裂,其使用寿命往往只有两三个月。为了提高支撑杆使用寿命,有些电厂通过更换材料来解决,将原来的设计选用材料35CrMo替换成42CrMo或者其它强度更高的材料,但是效果不佳。另一些电厂通过增加支撑杆的数量,从原来的四根增加到了八根,虽然总体使用寿命略微有所增加,但是由于支撑杆数量增多,将原来的出粉通道的面积占据了,因而提升了通风阻力,从而减弱了磨煤机的煤粉出力,还有一些电厂增加支撑杆的直径,也仅仅略微延长其使用寿命。以上措施并未能从根本上解决支撑杆容易断裂的问题,为此需要对支撑杆的受力情况进行分析[7]。

5 螺旋推进器支撑杆受力分析

5.1 螺旋推进器自身重力作用在支撑杆上的力

螺旋推进器两端分别由轴承座和支撑杆支承,如图2所示,此时支撑杆的受力分析如图3所示,根据力矩平衡原理,有:

F1L1=GL2

(1)

式中:F1为支撑杆对螺旋推进器产生的竖直方向作用力;G为螺旋推进器自身的重力;L1为F1作用点到F2作用点的距离;L2为重力G作用点到F2作用点的距离。

图3 螺旋推进器自重作用下受力分析

根据式(1),则有F1为:

F1=GL2/L1

(2)

根据作用力与反作用力的原理,可知四根支撑杆承受螺旋推进器产生竖直向下的力等于F1。支撑杆的端部顶在筒体衬板孔窝内,如图4所示,因为接触面与支撑杆的轴向垂直,此时下部的支撑杆只承受轴向力,不承受径向力,且只有位于下部的两根支撑杆1、支撑杆2受到F1产生的轴向力,位于上部的两根支撑杆3、支撑杆4不受力。其中支撑杆1受到的轴向力f为:

f=F1cosα

(3)

式中:α为支撑杆1与竖直方向的夹角。

图4 螺旋推进器自重作用下支撑杆轴向受力分析

支撑杆2受到的轴向力f′为:

f′=F1sinα

(4)

式中:α为支撑杆1与竖直方向的夹角。

由式(3)和式(4)可知,当α=0°时支撑杆1承受的轴向力最大为F1,支撑杆2受到的轴向力为0,支撑杆3、支撑杆4受到的轴向力均为0。

5.2 原煤受力作用在支撑杆上的力

螺旋推进器随筒体旋转时,由于螺旋叶片的旋转推进作用,中空管和螺旋推进器之间的原煤分布呈图5所示状态,则原煤流量Q为:

Q=0.9srt

(5)

式中:s为截面上原煤面积;t为螺旋叶片的螺距;r为筒体转速。

则原煤的截面积s为:

s=Q/(0.9rt)

(6)

则原煤重力G1为:

G1=QL/(rt)

(7)

式中:L为原煤流的长度。

根据力矩平衡原理,有:

G1L4=4f1L5

(8)

式中:L4为原煤质心到推进器中心竖直平面的距离;f1为原煤堆对支撑杆产生的切向力;L5为切向力f1到螺旋推进器中心竖直平面的距离。

根据式(8),可以求得单根支撑杆承受的力f1为:

f1=G1L4/(4L5)=G1L3sinβ/(4L5)

(9)

式中:L3为原煤质心与螺旋推进器截中心管轴线的距离;β为原煤质心与螺旋推进器圆心的连线与竖直方向的夹角。

式(9)中L3及β的具体数值较难确定,由于原煤质心与中心管轴线的距离L3始终小于中心管的内径R,且β=90°时,sinβ=1,所以有:

f1=G1L3sinβ/(4L5)

(10)

一般计算时,取:

f1=G1R/(4L5)

(11)

如图5所示,螺旋叶片克服摩擦力将原煤沿螺旋推进器轴向推入筒体内,原煤安息角φ(安息角指的是散料堆放停止自然溜下的一种临界状态,也称休止角)一般取34°,则单根支撑杆因原煤轴向运动产生的剪切力f2为:

f2=(G1sinφ)/4

(12)

图5 原煤作用下支撑杆受力分析

5.3 轴承作用在支撑杆上的力

如图2、图3所示,螺旋推进器左端由一个调心滚子轴承支承,设轴承摩擦因数为0.004,轴承内径为R1,根据力矩平衡原理,有:

F2L1=G(L1-L2)

(13)

式中:F2为轴承处承受的支承力。

由式(13)求得轴承处支承力F2为:

F2=G(L1-L2)/L1

(14)

根据力矩平衡原理,可得

4f3L5=0.004F2R1

=0.004R1G(L1-L2)/L1

(15)

式中:R1为轴承内径;f3为轴承摩擦阻力对单根支撑杆产生的剪切力。

根据式(15)求得f3为:

f3=0.004R1G(L1-L2)/(4L1L5)

(16)

5.4 实例计算和应力模拟分析

以BBD43系列双进双出钢球磨煤机的螺旋推进器为例,L1=3 654 mm,L2=2 050 mm,L5=970 mm,L=2 600 mm,R=760 mm,R1=70 mm,G=23 500 N,Q=35 t/h,r=16 r/min,t=1 700 mm。

代入式(2),有:

F1=GL2/L1=2 350×2 050/3 654=13 180 N

代入式(3),有:

f=F1cosα=13 180 N

代入式(7),有:

G1=QL/(rt)=35×1 000×2 600/60/(16

×1 700)=560 N

代入式(11),有:

f1=G1R/(4L5)=56×760/(4×970)=110 N

代入式(12),有:

f2=G1×sin34°/4=56×sin34°/4=80 N

代入式(16),有:

f3=0.004R1G(L1-L2)/(4L1L5)=0.7 N

所有径向力总和为190.7 N。

考虑到四根支撑杆不均匀受力,应力模拟分析时径向力取计算值的两倍,应用Solidworks三维软件对直径为φ62 mm,连接处螺纹为M62 mm,材料许用应力620 MPa的支撑杆进行分析,结果最大应力为38 MPa,最小安全因数为16,最大应力点在支撑杆与螺母结合的根部的很小区域内,且轴向力对应力影响很小,切向力才是产生应力的主要原因,图6为应力云图,图7为安全因数小于20的区域,可见应力集中在极小的区域。

图6 支撑杆螺纹端应力云图

图7 支撑杆螺纹端危险截面

6 支撑杆断裂原因分析

以上受力计算和计算机应力分析表明,支撑杆的强度是满足要求的,但实际应用中经常有支撑杆断裂的案例发生,且断裂的位置多位于同一应力集中位置处。如果排除掉支撑杆本身存在缺陷的因素,那么断裂一定是支撑杆受到切向力过大造成的。经过研究,认为以下因素可以造成支撑杆受到切向力。

支撑杆是在磨煤机空负荷及常温下安装的,通过调整中心筒上的双螺母,使得支撑杆的顶端与筒体衬板孔窝孔底之间为顶紧状态,没有间隙。当磨煤机正常运行时,筒体内的温度超过200 ℃,而且筒体内装入质量约80～100 t的钢球和原煤,在这种状态下运行一段时间后,由于筒体变形、衬板螺栓松动后衬板相对位置变化等各种原因,造成支撑杆与筒体衬板之间出现间隙,如图8、图9所示。在图8中,下部的支撑杆与衬板孔底出现间隙,则两根水平的支撑杆将受到径向力f4,f4=F1/2。在图9中,下侧及左侧的支撑杆与筒体衬板孔底不接触,右侧的支撑杆承受径向力f5和轴向力f6,上部的支撑杆承受径向力f6,f5=f6=F1。同样以BBD43系列双进双出钢球磨煤机的螺旋推进器为例,在如图8所示情况下,f4=6 590 N,在如图9所示情况下,f5=f6=13 180 N,仅径向载荷就分别增加到原来的16倍和32倍,由此产生的应力也分别接近和超过了材料的许用应力。而且由于间隙的存在,载荷也由近似静载荷变为冲击载荷。

图8 下部支撑杆与衬板孔底存在间隙时受力分析

由于制造安装的误差致使螺旋推进器的旋转轴线与筒体的旋转轴线的同轴度产生偏差。两种典型情况如图10、图11所示。

图9 下部及左侧支撑杆与衬板孔底存在间隙时受力分析

图10 支撑杆安装偏差造成同轴度偏差

图11 螺旋推进器轴安装偏差造成同轴度偏差

这两种情况都导致推进器的右侧轴端N与筒体中心线不共线,由于N点固定在轴承座内,当筒体旋转时,推进器将绕N、M连线旋转,支撑杆与N、M连线的夹角B将筒体的转动呈周期变化,即此时支撑杆受到如图所示的力F。F的大小与螺旋推进器轴线和筒体旋转轴线的同轴度偏差大小程度有关,同轴度偏差越大,F越大。所以螺旋推进器旋转轴线与筒体旋转轴线同轴度偏差也是导致支撑杆断裂的主要原因,而且同轴度偏差还直接导致N点的轴承发热,缩短使用寿命[8]。

螺旋推进器的安装调试是在双进双出钢球磨煤机空载时进行的,当双进双出钢球磨煤机装入钢球和煤后,由于重力作用,筒体将产生弯曲变形,这也会造成螺旋推进器和筒体产生同轴度偏差[9]。

综上所述,支撑杆断裂的主要原因如下:

(1) 支撑杆端部与筒体衬板孔窝之间出现间隙,造成支撑杆受到的径向剪切力增大;

(2) 螺旋输送器的旋转轴线和筒体的旋转轴线之间的同轴度偏差使支撑杆产生额外的径向剪切力。

7 防止支撑杆断裂方案

通过以上分析可知,避免支撑杆断裂可以从以下两方面入手:取消支撑杆的螺纹,以减少应力集中;改进支撑杆的结构,使其能对支撑杆与筒体衬板之间出现的间隙以及螺旋推进器与筒体之间的同轴度偏差进行自动补偿,从而减小支撑杆受到的径向力。

图12为改进方案所采用的调心支撑杆的结构示意图,调心支撑杆由球面座、支撑杆、弹簧筒、弹簧组、压盖组成。支撑杆为光杆、无螺纹,一端设计成球面,与球面座配合,另一端深入弹簧筒中,与预压紧的弹簧组直接接触。安装调心支撑杆前,先将螺旋推进器的的中心找好,确保其回转中心与筒体的回转中心同轴,然后把球面座装入筒体衬板的孔窝,接着将整个调心支撑杆组顶紧,确保支撑杆和球面座接触良好并顶紧到衬板孔窝底部,然后将弹簧外筒与中心筒焊接牢固,依次安装四根支撑杆,最后将所有的弹簧组释放,依靠预紧力使支撑杆牢牢顶紧到衬板孔窝,如图13所示。由于弹簧组能够自动补偿支撑杆在传动中产生的振动位移,实现自动调心,使螺旋输送送器在转动过程中能够自动调心,不发生绕心摆动,转动更加平稳;同时支撑杆与衬板孔窝之间改为球面接触,使得支撑杆能够适应螺旋推进器一定幅度的轴向窜动和径向摆动,避免支撑杆受到额外的径向剪切力,大大提高了支撑杆的使用寿命[10-11]。

图12 调心支撑杆结构

图13 调心支撑杆安装

8 结束语

通过以上分析可知,支撑杆断裂主要是由支撑杆受到过大剪切应力造成的。为避免支撑杆断裂,可以从以下两方面入手:取消支撑杆的螺纹,以减小应力集中;将传统的支撑杆改为调心支撑杆结构,运行时能对支撑杆与筒体衬板孔窝之间出现的间隙及螺旋推进器与筒体之间的同轴度偏差进行自动补偿,从而减小支撑杆受到的径向力,最终提高支撑杆的使用寿命。