回轉窯托輪竄軸原因分析及處理

白文生

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回轉窯托輪竄軸原因分析及處理

白文生

回轉窯在現場運行過程中，可能會出現托輪竄軸事故。本文結合理論計算、制造加工因素、現場實際運行因素等，對事故原因進行了分析，并給出了解決方案及建議。

托輪；竄軸；原因；處理

回轉窯是水泥燒成設備的核心，其正常運轉是保證水泥廠生產的關鍵。回轉窯筒體上套有矩形輪帶，輪帶將窯筒體、窯襯、物料等所有重量通過托輪傳到托輪支承裝置上。托輪與托輪軸之間通過過盈配合傳遞力。在運轉過程中，托輪與托輪軸配合處發生軸向移動，稱為竄軸。竄軸會對設備的正常運轉產生嚴重影響，甚至會發生重大事故，因此一旦發現竄軸，操作人員必須及時停機并處理。

某水泥廠在2010年發生過一起竄軸事故。本文現結合現場實際情況，對其竄軸的原因進行如下分析：

1托輪竄軸原因分析

1.1理論計算［1］（按托輪與軸的溫度相同計算）：

已知條件：

托輪與托輪軸的裝配方式：熱裝法；

托輪與托輪軸的配合：?850H7/t7；

托輪材料：ZG42CrMo，正火加回火；

托輪軸材料：45號，調質；

托輪外徑da=2 400mm；

托輪與托輪軸配合直徑df=850mm；

托輪軸實心；

配合長度Lf=1 050mm；

托輪表面粗糙度Raa=0.003 2mm；

托輪軸表面粗糙度Rai=0.001 6mm；

被聯接件的摩擦副的摩擦系數μ=0.11；

托輪和托輪軸材料的彈性模量Ea=Ei=210 000MPa；

托輪和托輪軸材料的泊松比νa=νi=0.3；

托輪材料的屈服點σsa=343MPa；

托輪軸材料的屈服點σsi=345MPa；

傳遞的軸向力Fx=（582 555～776 740）N。

計算結果如下：

圖1　托輪與托輪軸配合處設計尺寸

（1）傳遞載荷所需的最小有效過盈量：δmin=0.017 5～0.023 3mm。

（2）被連接件不產生塑性變形所允許的最大有效過盈量：δemax=1.57mm。

（3）托輪與托輪軸配合的驗證，根據托輪與托輪軸配合得出：

最小過盈量：［δmin］=0.53mm

最大過盈量：［δmax］=0.71mm

［δmin］＞δmin，滿足保證過盈連接傳遞給定載荷要求

［δmax］＜δemax，滿足保證連接件不產生塑性變形要求

（4）過盈連接的最小傳遞力驗證：

Ftmin=17 148 478N

因為Ftmin＞Fx，所以托輪與托輪軸配合處的設計是合理的。

1.2加工時托輪與托輪軸的偏差

如果加工時，托輪與托輪軸的尺寸或形位公差沒有達到圖紙設計要求，配合面就會產生偏差△。如圖2、3所示。

圖2　托輪與托輪軸裝配圖（1）

圖3　托輪與托輪軸裝配圖（2）

第一種情況：托輪及托輪軸在加工過程中出現了錐度，按圖2進行熱裝后造成過盈量在整個軸長范圍內分布不均。

第二種情況：托輪及托輪軸圓度公差沒有達到圖紙要求，出現橢圓，二者熱裝后造成過盈量在圓周長范圍內分布不均（如圖3所示）。

第三種情況：托輪與托輪軸尺寸公差沒有達到圖紙要求，托輪內徑偏大，托輪軸外徑偏小，導致熱裝后實際過盈量小于最小設計過盈量。

由Ft=［p］π dfLfμ，可以看出：當出現上述加工質量問題時，df有效直徑變小，Lf有效配合長度變短，配合面所傳遞的力會成比例下降。

1.3運轉時托輪與托輪軸配合面的溫差

在回轉窯運行過程中，由于筒體熱輻射，輪帶與托輪接觸后會造成托輪與托輪軸之間出現溫度差。托輪與托輪軸受熱膨脹后，二者配合面膨脹量的不一致造成過盈間隙變小。通過對現場數據進行統計分析，發現托輪與托輪軸的平均溫度差大約在30～50℃。在這種情況下，托輪與托輪軸之間的過盈量會減小。托輪和托輪軸配合面膨脹量偏差計算如下：

△=αdf△t（1）

式中：

△——托輪與托輪軸配合面膨脹量偏差值，mm

圖4　托輪竄軸后現場圖

圖5　處理方案

圖6　處理竄軸用材料

圖7　現場焊接處理圖

α——熱膨脹系數，α=0.000 012mm/℃

df——托輪與托輪軸配合面直徑，df=850mm

△t——托輪比托輪軸平均溫度高30～50℃，即△t= 30～50℃

代入公式后，求得△=0.306～0.51mm

因為設計的最小過盈量［δmin］=0.53mm，最大過盈量：［δmax］=0.71mm，所以此時托輪與托輪軸配合處的最小過盈量值為0.02mm，已接近傳遞載荷所需的最小有效過盈量δmin，托輪與托輪軸配合面所傳遞的力下降。

綜上所述，在溫差和加工偏差共同影響下，托輪與托輪軸配合面所傳遞的力下降，當配合面所傳遞的力小于外力值時就會發生竄軸事故。

2事故的處理

當托輪發生竄軸（見圖4紅線圈出部分）后，現場必須停機處理，以免托輪沿托輪軸繼續移動，造成托輪與其他零部件磕碰，產生不必要的損失。根據上述事故原因分析結果，制定了圖5所示處理方案：即通過在托輪兩側焊接擋板和擋塊來吸收外力。現場處理情況見圖6、圖7。該現場處理完成后，已運轉多年，沒有再次發生竄軸事故。實踐證明，上述對托輪竄軸事故的處理方案是可行的。

3幾點建議

（1）設計時，改變托輪與托輪軸的配合公差，建議過盈量控制在（0.008～0.01）df。

（2）加工時，應嚴格保證托輪與托輪軸配合面尺寸及直線度、圓度、圓柱度等公差要求，確保熱裝后配合面在長度及圓周方向過盈量均勻。

（3）實際運行時，現場應嚴格控制托輪表面溫度，減小托輪與托輪軸的溫差值。

［1］成大先.機械設計手冊（第五版）第2卷［S］.北京：化學工業出版社，2007.11.

他山之石

Cause Analysis and Treatment of Repositioning the Axle of Kiln Supporting Wheel

TQ172.622.29

A

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