雙進雙出鋼球磨煤機支撐桿斷裂的原因分析及新型撓性支撐裝置的研發

佟成功 上海重型機器廠有限公司設計研究所（200245）

佟成功（1967年～），男，高級工程師，副總設計師，從事鋼球磨煤機及其系列化的開發和設計工作。

0 引 言

近年來，隨著電力工業的發展、引進技術的推廣應用及燃用煤種的多樣化，雙進雙出鋼球磨煤機因具有適應煤種廣、自動化程度高、出力和細度穩定、維修量小、維護操作簡便等特點，被廣泛應用在直吹式燃煤發電廠中，深受用戶歡迎。但是在運行中也出現了許多諸如分離器經常被雜物堵塞、漏粉、螺旋葉片損壞、支撐桿斷裂等故障導致磨煤機停機的事故。這些問題能否得到及時處理，直接關系到機組的安全經濟運行。通過對設備運行情況的長期跟蹤調查，針對上述問題進行深入細致的研究，并對原有結構進行了設計改進，使設備檢修及維護次數顯著減少，為電廠穩定運行提供保證。

1 雙進雙出鋼球磨煤機的原理

雙進雙出鋼球磨煤機包括兩個對稱的研磨回路，給煤機將原料煤輸送進入混煤箱內，經過落煤管輸送到螺旋輸送裝置底部，螺旋輸送葉片將原料煤送入沿水平軸線旋轉的筒體內。筒體兩端的中空軸座落在兩個自動調心巴氏合金軸承上，主電機經減速器及小齒輪驅動筒體外緣上的大齒輪帶動筒體以15～20r/min轉速旋轉。筒體內裝有一定數量的研磨介質（鋼球），通過筒體的旋轉運動將鋼球提升到一定高度，鋼球在自由瀉落和拋落過程中將原料煤研磨成煤粉。一次熱風從磨煤機兩側以相同流量通過熱風盒、中心管吹入筒體內，在筒體中部形成對流、反方向沿中心管與螺旋葉片之間的環形通道流出，烘干原料煤的同時將磨碎的煤粉帶入分離器，經分離器分選把合格的煤粉送進鍋爐，不合格的煤粉返回筒體內重新研磨。其工作原理如圖1所示。

圖1 雙進雙出鋼球磨煤機工作原理

雙進雙出鋼球磨煤機的旋轉部件包括大齒輪、筒體、襯板和螺旋推進器，如圖2所示。大齒輪通過螺栓與筒體連接，襯板通過螺栓固定于筒體的內壁，螺旋推進器由支撐軸、中心管、螺旋葉片和支撐桿組成。螺旋推進器的一端出軸通過滾動軸承支撐在固定支架上，另一端沿中心管圓周方向均勻布置四根支撐桿。支撐桿一端垂直固定在中心管上，另一端支撐在筒體內部的襯板沉孔內。四根螺旋式葉片沿軸線長度方向環繞在中心管外部并通過鏈條與中心管鏈接。

圖2 雙進雙出鋼球磨煤機的螺旋推進器

圖3 所示為改進前支撐桿的安裝結構示意。圖中標示出了支撐桿與中心管的連接固定關系，通過調整內外側螺母來調整螺旋推進器與筒體的同軸度。

圖3 改進前支撐桿結構示意

2 鋼球磨煤機支撐桿斷裂原因分析

2.1 斷裂處的表面特征及斷裂原因

圖4所示為支撐桿斷裂面照片，其主要特征：

(1) 斷裂起源于螺紋根部變截面，表面缺陷和內部缺陷等應力集中部位；

(2) 斷裂處很少或沒有宏觀塑性變形，斷口可以拼合復原；

(3) 斷口呈粗糙狀，有粗大晶粒外形；

(4) 斷面金屬色澤一致，斷裂過程在瞬間完成。由此判斷支撐桿斷裂主要是由于剪切應力的作用。

2.2 剪力分析

設計要求支撐桿垂直中心管軸線安裝，以使其外徑與安裝孔緊密配合，以便能夠承受較大的彎曲力矩。如果支撐桿在安裝后處于傾斜狀態，支撐桿將受到預剪切力矩和彎矩的共同作用，預剪切力為主要作用力，因此在支撐桿各截面將出現較大的預剪應力，其薄弱部位將因剪力的作用而斷裂。

圖4 斷裂后的支撐桿截面

2.3 傾斜原因分析

(1) 帶有與支撐桿外端配合孔的襯板在安裝到筒體內側時，其位置精度無法精確保證，導致襯板上的支撐桿插孔與輸送器中心管上的支撐桿安裝孔同軸度偏差較大，從而會出現支撐桿安裝后傾斜。

(2) 設備在運行中由于鋼球的不斷沖擊，以及工作溫度的升高（200～300℃）都會使襯板發生變形移位，導致襯板上的支撐桿插孔偏離原始安裝位置，從而導致支撐桿傾斜。

2.4 支撐桿斷裂的影響

磨煤機每套螺旋輸送器配有4根傳動支撐桿，當1根發生斷裂后，另外3根由于受力不均致使整個機構失穩，嚴重時導致軸承座連帶被損壞，進而其他支撐桿相繼發生斷裂，造成磨煤機堵煤停磨事故。據某電廠統計，6臺磨煤機在一年的時間里支撐桿斷裂達到16次，嚴重影響機組安全運行。

3 改進措施

(1) 安裝時調整螺旋輸送器支撐桿與筒體的垂直度，使其符合技術要求；調整支撐桿內外兩側螺母使其緊固。裝入鋼球試車后，再重新檢查固定、焊接，使支撐桿受力均衡。

(2) 增大支撐桿橫截面面積，縮短軸向長度以提高其強度；改進端襯板支撐桿插孔制造工藝，以增強其基礎穩固性；采用調質鋼（34CrNi3Mo）制作支撐桿，優化熱處理工藝，提高其強度和韌性。

(3) 增加支撐桿的數量，沿圓周方向由4根增加為8根且均勻分布，即使一根支撐桿發生斷裂，剩余7根支撐桿仍具有同心定位性能，可始終保持螺旋輸送器穩定運行，將使設備運行的可靠性得到提高。

雖然8根支撐桿的布置可以減少支撐桿斷裂發生的頻率，但是其安全可靠性仍沒有得到徹底解決，另外對于小型磨煤機由于受其空間尺寸的限制也將無法使用8根支撐桿，鑒于上述原因著重論述了新型支撐裝置。

4 撓性支撐裝置的研發

僅從增加支撐桿截面積、數量和改善材料等方面提高支撐桿的使用壽命、降低運行事故發生幾率，仍不能徹底解決支撐桿斷裂的潛在問題，斷裂時有發生。因為磨煤機在常溫下安裝，此時支撐桿與筒體襯板之間為剛性頂緊，磨煤機運行時筒體內溫度將上升至200～300℃，溫度的變化和鋼球的沖擊將會使襯板發生變形、移位，改變支撐桿的原始受力狀態。為此所研制的帶有伸縮和偏轉補償功能的新型支撐桿結構，即撓性支撐裝置可解決支撐桿斷裂問題，該裝置附帶有液壓預加載工具。

5 撓性支撐裝置的結構

撓性支撐裝置主要由支撐桿、密封蓋、雙弧面上銅套、彈簧上壓套、彈簧座、彈簧、彈簧下壓套、彈簧座蓋、雙弧面下銅套、調整螺栓、調節螺母、保護罩等組成。如圖5所示，彈簧座通過螺栓固定連接螺旋推進器中心管；支撐桿呈階梯形，支撐桿的上端采用球面體結構，彈簧上壓套、彈簧、彈簧下壓套設于支撐桿上，彈簧下壓套的下端通過鎖緊螺母實現與支撐桿的固定；支撐桿的下端面設有螺紋孔，用于連接液壓預加載工具。當襯板和中心管的相對位置發生改變時，即當中心管在垂直方向的位置發生改變，這個位移量將通過彈簧的伸長和壓縮得到補償，當外力消失或改變后在彈簧力的作用下中心管將恢復到原始位置。

圖5 撓性支撐裝置示意

當中心管在水平方向發生位移時，支撐桿將圍繞其上端的球鉸鏈點作微小回轉，此時彈簧一側將呈現壓縮而其相對側將產生拉伸，支撐桿間接受力并在一定條件下中心管會盡快復位。由于中心管在工作中的位移而導致的偏載力經過彈簧緩沖后傳遞到支撐桿上，可避免支撐桿直接受到沖擊力而造成疲勞損壞。

6 液壓預加載工具

液壓預加載工具由液壓缸座、液壓缸、加載螺桿、螺母、手柄、手動高壓泵等組成。如圖6所示，預加載時首先將加載螺桿的左端旋入支撐桿下端的螺紋孔內；液壓缸座與液壓缸固定連接后套在加載螺桿上，加載螺桿右端穿過液壓缸并用螺母固定；手動控制高壓泵將加載撐桿向右拉出，彈簧被壓縮后通過手柄旋動緊固調節螺母直至達到設計要求位置。

圖6 液壓預加載工具示意

7 撓性支撐裝置的改進

(1) 支撐桿端部采用球面體與襯板圓柱沉孔配合，解決支撐桿相對襯板偏轉問題；

(2) 采用階梯狀支撐桿替代原有螺紋支撐桿，解決螺紋根部應力集中問題，抗彎曲的強度大幅提高；

(3) 撓性支撐裝置上下各安裝一個雙弧面銅套，銅套內孔嵌有石墨，通過彈簧的單側伸長和對側壓縮能夠使支撐桿產生徑向偏移量，可以補償溫差和襯板變形引起的位移并頂緊襯板，同時平衡對稱側支撐桿的支撐力。銅套外緣采用雙圓弧面能夠使支撐桿偏轉一定角度，以補償制造和安裝誤差，從而避免支撐桿承受較大剪力，可以有效地解決雙進雙出鋼球磨煤機支撐桿斷裂的問題。

8 撓性支撐裝置的安裝

該裝置的安裝分兩步完成，首先利用液壓加載工具將支撐桿和彈簧及其周邊附件裝配在一起，使其成為一個完整的支撐裝置。然后將該支撐裝置從螺旋推進器中心管內沿垂直于軸線方向插入到裝配位置并固定，利用該裝置底部圓周方向布置的調整螺栓推動支撐桿外伸使其頭部的球面體與襯板沉孔緊密配合到位，并確保螺旋推進器中心管與筒體兩者之間的同心度達到設計要求。

9 結語

撓性支撐裝置將使支撐桿的壽命大幅度延長，不僅可以降低使用維護成本，同時也減少了螺旋推進器發生故障的頻率，提高了雙進雙出鋼球磨煤機的工作效率。在今后該類型磨煤機的設計過程中可以使用該新型結構。