矩陣和理化分析在火電廠撈渣機鏈條重排作業中的應用

謝權，楊紅曦，李元

1.華電國際股份有限公司奉節發電廠，重慶，404600；2.中煤張家口煤礦機械有限責任公司帕森斯鏈條公司漢辦，湖北武漢，430071；3.中煤張家口煤礦機械有限責任公司帕森斯鏈條公司，河北張家口，075025

0 引言

華電國際電力股份有限公司奉節發電廠#2爐撈渣機于2016年12月13日采用德國著名鏈條。經過5年半，每年大約3000小時的運行后，出現了刮板左右偏斜的情況。根據2021年12月1日的觀察，爐前、爐后兩側鏈條最大偏差已經達到兩個鏈環長度約272mm（2*136mm），嚴重影響撈渣機安全運行。所幸該廠撈渣機尾輪相互分離，勉強還能維持運轉。為了物盡其用，該廠于2022年5月26日至28日首次運用矩陣原理，完成了鏈條重排，取得了很好的效果，基本消除了刮板偏斜給撈渣機運行帶來的潛在危害和安全隱患。估計可延長使用壽命一年，為電廠節約十多萬元的費用。本文結合華電奉節的重排作業實踐，對于矩陣在鏈條重排中的原理與應用進行闡述。

1 鏈條重排中的矩陣原理

撈渣機鏈條系統由相同環數、首尾相連的兩根鏈條和布置其中的等距刮板組成。從數學上講，可以將整個鏈條系統看成是一個列數為2、行數為n的矩陣，也即Π(Πij)n2。鏈條重排工作，首先是將總矩陣Π(Πij)n2，根據刮板的傾斜程度，重新劃分為若干個子矩陣X(Xij)m2，其中X=A、B、C、D、E、F、G…。然后根據矩陣元素的測量結果，按照下列消除偏差的規則，重新排列組合矩陣的元素[1]。

無論子矩陣元素長度如何，調整后的矩陣遵循正矩陣同類誤差最小原理。即下列原則：①同一行元素長度差最小；②爐前列元素長度之和與爐后列元素長度之和相比誤差最小；③統籌兼顧本矩陣與相鄰子矩陣的同列長度差互補，做到爐前側與爐后側整個鏈條長度差最小；④若出現四個元素長度分布為“三短一長”或者“三長一短”的情形，則需再行細分測量，找出鏈環節距突變的邊界，重新劃分子矩陣。

通過變換得到若干個偏差最小的新子矩陣X’=A’、B’、C’、D’、E’、F’、G’…，從而得到一個消除左偏右斜的總矩陣Π’(Π’ij)n2。

2 矩陣原理在奉節電廠#2爐撈渣機鏈條重排中的運用

2.1 標記分區

站在面向撈渣機上升段的操作平臺上，以平臺邊沿為尺度，連續觀察和比較刮板邊沿與該尺度的平行度誤差。以誤差為零、誤差最大的刮板作為分界線，將鏈條劃分為不同的區段。用彩色絕緣膠帶做好分組和區段標記[2]。以誤差為零的刮板作為調整的起點。奉節電廠根據#2爐刮板傾斜變化，將鏈條劃分了三組10個區段。區段依次以大寫英文字母命名A、B、C…。對于不需要調整的區段，用黑色膠帶標記，如圖1所示。

圖1 平臺上借助參照物對刮板傾斜狀態連續觀察與標記

2.2 生成矩陣、元素測量與重排

在拆除需要調整區段的刮板之后，將A區段起點運行到渣船內水平段與上升段交界的導輪前。開始生成2×2矩陣、測量矩陣元素長度。首先清點區段總環數，確定矩陣元素環數，做好矩陣元素邊界標記。然后對矩陣元素的長度進行測量和記錄。并根據長度數據，按照矩陣調整原理，確定調整方案。方案經過比較優化之后，切割生成矩陣的元素，按照方案調整換位。A區段調整完畢之后，將B區段起點運行到渣船內水平段與上升段交界的導輪前。重復A區段的調整工作，直到所有區段調整完畢[3]。

2.3 調整效果對比

在標記過程中觀察到，鏈條磨損程度波動較大。在上升段觀察到的長度差，波動在±0～2.5倍刮板厚度之間。推演到撈渣機尾部的長度差，波動在±0～5倍刮板厚度之間，如圖2所示。說明即使處在同一側的鏈條，每個環的磨損程度都相差很大。

圖2 #2 爐尾部傾斜的刮板

根據調整完畢后尾部下行刮板的水平度觀察，局部最大誤差接近40mm，約為整個鏈條長度140m的萬分之2.85，低于允許誤差萬分之3.5的要求，如圖3所示。

圖3 #2 爐尾部刮板

3 鏈環外觀測量結果分析

為了評估鏈條的使用壽命，對重排過程中截取的鏈環進行了測量，數據如表1所示。

表1 鏈條外觀測量結果及統計數據（單位：mm）

從表中的測量數據及統計結果可以看出幾個方面的問題：①德國棒料屬于正公差棒料，平均直徑比公稱直徑34大1.23mm。如果在國內按照此公差加工，需要特殊定制棒料。②按照德國鏈條350E的點檢標準，#2爐鏈條的平均壽命余量僅有0.65mm，鏈條耐磨層已磨損掉84.7%。根據滲碳鏈條后期加速磨損的特點，鏈環使用壽命也就是最多一年；部分鏈環最小壽命余量已為零，約將在半年之后達到點檢標準[4]。③擠壓損傷帶有受傷普遍性和程度隨機性特點。每個鏈環都帶有擠壓或者剮蹭損傷。最大擠壓損傷深度已達7.2mm，這一鏈環直臂已經達到點檢標準；最小為0.4mm。這提示開排渣口和設置彈性清掃簾的必要性和迫切性。④節點磨損散差較大，提示不同鏈環節點處的表面至心部硬度分布存在差異。⑤按照德國鏈條350E的滲碳層技術指標，對于平均直徑為35.23mm的棒料來說，當節點直徑小于31mm時，節點硬度低于550HV，當節點直徑小于29.6mm時，意味著節點滲碳層已消失。而測量數據中有94.4%的數據小于等于31mm，這也充分說明鏈條壽命已經進入最后階段。

4 奉節電廠鏈條理化性能測試及分析

燃煤電廠出渣鏈條一般經過滲碳處理，其主要有表面硬度和不低于550HV硬化層深度兩個技術指標，分別代表著鏈條的耐磨性和磨損壽命。表面硬度越高，鏈條的耐磨性越好；不低于550HV硬化層深度越深，鏈條的磨損壽命越長。

為了進一步分析引起刮板左右偏斜的原因與鏈條本身各項技術指標是否存在關聯，隨機選取6個鏈環試樣進行理化性能測試，取樣樣品鏈環、鏈環上取樣位置如圖4中線段所示。

圖4 隨機抽取鏈環試樣情況及鏈環上取樣位置示意

4.1 顯微硬度測試

環1—環4是在鏈環頂部節點處取樣，切取下來試樣如圖5所示，測試方向為從表面至心部，如圖5中實線箭頭和虛線箭頭所示。圖5中實線箭頭測試的起點為鏈環節點磨損最嚴重處，可以檢測出鏈環節點磨損最嚴重處耐磨層剩余情況；虛線箭頭的起點為鏈環節點無明顯磨損處，可以表征鏈環出廠時的狀態。環5與環6是在鏈環直臂部位取樣，切取下來試樣如圖6所示，由于環5與環6取自無明顯磨損的直臂部位，其表征為鏈環出廠時的狀態，與圖5中虛線箭頭意義一致[5]。

圖5 環1—環4 切取試樣圖片及顯微硬度測試方向示意

圖6 環5 與環6 切取試樣圖片及顯微硬度測試方向示意

4.1.1 無磨損位置硬度分布結果分析

所有試塊無磨損部位從表面至心部（圖5與圖6中虛線箭頭）的顯微硬度測試結果見表2。

從表2數據可以看出，6個鏈環的表面硬度為753.5～800.2HV，最多相差46.7HV，相對比較穩定和均勻；所有6個鏈環試樣的≥550HV硬化層深度均為2.0mm左右，也比較均勻一致。查看表2數據可知，距離表面1mm和2.5mm處，各個鏈環的硬度值分別出現了不均勻現象，極差為87和86.9HV。

根據表2各個鏈環表面至心部硬度數據分析，該批鏈條表面硬度分布較均勻，因此鏈條使用初期不同鏈環的磨損速度應較為一致，隨著磨損的增加，當實際磨損深度至距離表面1mm和2.5mm處時，由于不同鏈環的硬度值相差較大，就會出現磨損速度不一致的情況，硬度偏低的鏈環磨損速度快，其表象就是該鏈環附近刮板出現偏斜現象。當低硬度鏈環隨機分布時，刮板左右偏斜現象也是隨機分布，這與實際現象相符。

表2 顯微硬度測試結果統計表

4.1.2 節點位置硬度分布結果分析

環1—環4磨損最嚴重的節點部位表面至心部（圖4中紅色箭頭）的顯微硬度測試結果見表3。

表3 節點位置殘余表面硬度

從表3實測數據可知，所有鏈環節點磨損最嚴重處的表面硬度只有300HV左右，此處的耐磨層已完全消失。按德國鏈條廠家樣本中給出的34×126 350E出渣鏈的技術參數，結合實際測試硬度結果，鏈條節點處表面不低于550HV硬化層，實際剩余情況截面示意圖如圖7所示。

圖7 鏈條節點處剩余硬化層深度示意

4.2 化學成分檢測

分別對顯微硬度測試后的試塊進行化學成分檢測，成分檢測結果見表4。

表4 棒料原子光譜成分分析結果（單位：%）

從表4化學成分結果可以看出，4個鏈環的化學元素種類和含量均較為一致，可以認定是同一爐號鋼材。經對比有關標準，該鏈條所用鋼材為專用的滲碳鋼，符合滲碳出渣鏈的技術要求。

5 結論

根據目前鏈條本身硬度波動大的情況，此次鏈條重排之后，經過半年左右的使用，可能又會出現刮板明顯左偏右斜的情況。再次重排，可能需要在原來劃分的區段基礎上，再次細分為20個區段進行調整，需要消耗大量的接鏈環和人力。而且在子矩陣的劃分過程中，很有可能會出現新舊子矩陣重疊、調整無效的情況。因此，無論從技術還是經濟角度，不建議再次組織鏈條重排工作。