环式碎煤机轴承振动超标原因分析及处理

侯可中，刘宏伟

(三河发电有限责任公司，河北 三河 065201)

1 问题的提出

环式碎煤机是专为火力发电厂输煤系统设计的碎煤机械，它可以高效、经济地将原煤破碎到规定的粒度，同其他类型碎煤机相比，具有噪声小、粉尘小、功耗比低等优点。适用于破碎抗压强度不大于12 MPa、表面水分小于15%的烟煤、无烟煤、褐煤及冻煤，也可供煤炭、建材、化工、轻工、纺织等部门用于破碎中等硬度的脆性物料(如焦炭、炉渣、石灰石等)。碎煤机传动部分采用交流电动机与限矩型液力耦合器直接连接的方式，传动简单，运行可靠，可使电动机功率减小20%左右，降低了能耗，减小了电动机启动对电网的冲击，能隔离机械冲击、振动，能有效保护碎煤机和电动机。

碎煤机一般由机壳、机盖、转子、筛板架组件、调节机构、液压系统、衬板组件等部分组成。碎煤机是输煤系统的关键设备，其损坏的原因主要为主机异常振动和轴承异常升温，在常规情况下，其主要振动来源包括转子不平衡或不对中、环锤损坏、轴承损坏、减振平台减振效果不佳等，但在特殊情况下(即当碎煤机、液力耦合器和电动机无缺陷、无异常、非常稳定的情况下)，导致振动增大的主要原因是减振平台减振失灵。

2 轴承振动超标的原因分析

三河发电有限责任公司(以下简称三河发电公司)2台环式碎煤机基础是采用弹簧加阻尼器组成的减振隔振平台(如图1所示)，其设计原理是将碎煤机碎煤振动进行减振和隔振，以减小基础设施受到的振动损害，利用弹簧和阻尼装置可实现该功能效果。但通过实践检验发现，弹簧和阻尼装置所起的作用只对减振平台以下部分产生隔振效果，而不能抑制和减小其上部承托的机械设备的振动，相反，弹簧本身的弹性振颤使碎煤机和电动机振动被放大。

图1 采用弹簧加阻尼减振隔振装置

将碎煤机与电动机之间的液力耦合器拆开，单独试转电动机，其轴承双振幅振动值只有0.01 mm；将电动机与碎煤机通过液力耦合器连接在一起进行空载和重载试验，其轴承双振幅振动值达到0.07～0.15 mm，振动值被放大7～15倍。碎煤机转子在动平衡试验机上振动值是0.03 mm，安装在具有减振平台的碎煤机上进行空载和重载试验，其轴承双振幅振动值达到0.09～0.21 mm，振动值被放大3～7倍。试验证明，应用减振平台，不但碎煤机和电动机轴承垂直振幅被放大，水平双振幅也被放大，振动值也非常不稳定，究其原因为钢弹簧本身阻尼系数极小(只有0.005 N/(m·s-1))，以至于振动时传递率非常大，螺旋弹簧即使承受较小的轴向压缩载荷作用,也容易发生失稳现象，产生摇摆水平振动。由于每台碎煤机基础减振平台安装有16个弹簧阻尼隔振装置，即使都是同一个厂家制造，弹簧刚度也不可能完全一致，即使有阻尼装置的辅助作用，也会导致运行中振动值发生较大偏差。如图2所示，由于碎煤机重心和基础减振平台的重心出现偏差，使各个弹簧所承受的压力不均衡，导致碎煤机振动加剧。同时，由于减振平台的干扰，使得本由机械设备、轴承、转子损坏等原因而导致的轴承振幅增加被混淆，致使延误事故处理的最佳时间。

图2 碎煤机重心和减振平台重心偏差

3 设置弹簧阻尼减振平台的可行性分析

3.1 是否需要设置弹簧阻尼减振平台

设计碎煤机减振平台的主要目的是减小碎煤机振动对整个碎煤机楼的缓慢破坏，以提高系统设备和基础的寿命，实际运行中也确实起到了这个作用。但如上文所述，减振平台在保护基础的同时，却对设备的轴承振动没有起到减振效果，相反，使环式碎煤机轴承振动值增加数倍。那么为何要设计减振平台？是基础重要还是设备重要？如果以损伤设备、忽视设备安全为代价，设计制造减振平台是毫无意义的，它所导致的振动值的增加将加剧机械设备轴承的损坏，缩短机械设备轴承的使用寿命，大大增加检修和运行维护工作量，增加投资成本。所以，环式碎煤机基础不应设置弹簧阻尼减振平台。

3.2 环式碎煤机破碎物料内力和外力分析

碎煤机械的破碎是用外力施于被破碎的物料上，克服物料颗粒之间的内聚力使物料破碎。物料的内聚力有2种，一种作用于晶体内部的各质点之间，另一种作用于晶体与晶体之间的晶体界面上。2种内聚力的物理性质相同，区别在于内聚力的大小，前者比后者大很多倍。内聚力的大小取决于物料中晶体本身的性质和结构，也与晶体结构中所具有的错位和微裂纹等缺陷有很大关系。如果选择从晶体物料的缺陷处破碎，不仅能省功，而且能保证达到要求的粒度，减少过粉碎，达到这样的破碎目的叫“选择性破碎”。

实现选择性破碎，被破碎的物料应在体积料层中承受全方位的挤压，同时在晶体或微晶边缘引发应力，料块应承受组合负荷作用，其中包括剪切、弯曲和扭转，最好还兼有拉伸。对于破碎机而言，物料在破碎腔中应承受全方位挤压，料块彼此多次冲击或冲击到衬板上，料块群快速转移，控制料层有一定密实度，并使物料从破碎腔入口到出口均受到破碎力的挤压。

以三河发电公司为例，计算环锤作用在煤块之上的最大作用力F。翻车机振动斜蓖尺寸为370 mm×370 mm，进入碎煤机最大煤块的质量约为64 kg，如图3所示，F1为环锤作用在煤块上的作用力，F2为煤块作用在环锤之上的作用力。根据作用力与反作用力相等的原理，F1=F2=F。已知KRC12×26型环式碎煤机转子直径为1.2 m，环锤线速度为47.1 m/s，环锤与煤块之间的作用时间t=0.02 s,由图3可知，煤块在圆周方向的初始切向速度应该为0，即环锤与煤块撞击前，煤块初速度v1=0，而撞击之后，被撞碎煤块的速度至少等于环锤速度，即煤块末速度v2=47.1 m/s，根据冲击原理：Ft=mv2-mv1，得到F=15 072 (N)，即煤块作用在环锤上的最大反作用力与环锤作用在煤块上的最大作用力均应达到15 072 N。这种大煤块只是偶尔出现，绝大部分原煤都是细小煤块或煤粒，其作用在环锤上的力也是很小的，同时由于这种作用力是作用在环式碎煤机的内部，均匀分布在转子圆周的4排34个环锤几乎同时在破碎煤块，它们之间的相互作用力很大一部分通过转轴相互抵消，属于相互作用的内力，其对外所显露出来的振动程度并不显著，实际运行期间观察也是如此。实践结果表明，环式碎煤机实际运行期间对基础振动损坏是很小的，根本不需要设置减振平台。

图3 KRC环式碎煤机断面结构

4 防止环式碎煤机振动值超标的方法

为了有效防止环式碎煤机轴承振动超标，结合碎煤机制造商的推荐意见和三河发电公司的运行经验，作者认为，防止环式碎煤机振动值超标的最有效方法是环式碎煤机基础应该采用具有一定质量和强度、独岛运行的钢筋混凝土基础。这种基础具有以下优点：(1)沉重且刚性好的钢筋混凝土基础可增加承载机器的有效质量；(2)由于稳定性好、刚性强，不会放大轴承振动值，而是较真实地反映振动值；(3)提高阻抗，使机器安装牢固；(4)减少振动，减少机器不平衡力的作用；(5)降低重心，增加稳定性；(6)降低固有频率；(7)有效延长机械设备轴承的使用寿命，降低检修及运行维护费用。

5 结论

多年以来，环式碎煤机一直使用减振平台来保护基础，减少碎煤机楼的缓慢损坏，而实际应用效果却是碎煤机轴承实际振动值比设计值增大数倍，并以实际振动值来编制运行规程，指导运行工作。例如三河发电公司输煤运行规程规定环式碎煤机轴承座振动值不大于0.15 mm，根据DL/T 512—1993《KRC系列环锤式碎煤机》的规定，碎煤机主轴轴承座空载最大振幅值应不大于0.03 mm，若采用减振平台，环式碎煤机空载最大振幅值将是电力行业标准值的数倍，缩短设备使用寿命，浪费大量的检修维护费用；若采用钢筋混凝土基础，基于这种基础不会放大振动值的性能，环式碎煤机空载最大振幅值不会超过0.05 mm。由此可以得出结论：环式碎煤机本身的实际振动值比较小，对基础的破坏作用不显著，不需要应用减振平台，而应采用具有一定质量和强度的钢筋混凝土基础，以减少振动，减少维护工作，延长环式碎煤机的使用寿命。

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