回转窑托轮窜轴原因分析及处理

白文生



回转窑托轮窜轴原因分析及处理

白文生

回转窑在现场运行过程中，可能会出现托轮窜轴事故。本文结合理论计算、制造加工因素、现场实际运行因素等，对事故原因进行了分析，并给出了解决方案及建议。

托轮；窜轴；原因；处理

回转窑是水泥烧成设备的核心，其正常运转是保证水泥厂生产的关键。回转窑筒体上套有矩形轮带，轮带将窑筒体、窑衬、物料等所有重量通过托轮传到托轮支承装置上。托轮与托轮轴之间通过过盈配合传递力。在运转过程中，托轮与托轮轴配合处发生轴向移动，称为窜轴。窜轴会对设备的正常运转产生严重影响，甚至会发生重大事故，因此一旦发现窜轴，操作人员必须及时停机并处理。

某水泥厂在2010年发生过一起窜轴事故。本文现结合现场实际情况，对其窜轴的原因进行如下分析：

1托轮窜轴原因分析

1.1理论计算［1］（按托轮与轴的温度相同计算）：

已知条件：

托轮与托轮轴的装配方式：热装法；

托轮与托轮轴的配合：ϕ850H7/t7；

托轮材料：ZG42CrMo，正火加回火；

托轮轴材料：45号，调质；

托轮外径da=2 400mm；

托轮与托轮轴配合直径df=850mm；

托轮轴实心；

配合长度Lf=1 050mm；

托轮表面粗糙度Raa=0.003 2mm；

托轮轴表面粗糙度Rai=0.001 6mm；

被联接件的摩擦副的摩擦系数μ=0.11；

托轮和托轮轴材料的弹性模量Ea=Ei=210 000MPa；

托轮和托轮轴材料的泊松比νa=νi=0.3；

托轮材料的屈服点σsa=343MPa；

托轮轴材料的屈服点σsi=345MPa；

传递的轴向力Fx=（582 555～776 740）N。

计算结果如下：

图1　托轮与托轮轴配合处设计尺寸

（1）传递载荷所需的最小有效过盈量：δmin=0.017 5～0.023 3mm。

（2）被连接件不产生塑性变形所允许的最大有效过盈量：δemax=1.57mm。

（3）托轮与托轮轴配合的验证，根据托轮与托轮轴配合得出：

最小过盈量：［δmin］=0.53mm

最大过盈量：［δmax］=0.71mm

［δmin］＞δmin，满足保证过盈连接传递给定载荷要求

［δmax］＜δemax，满足保证连接件不产生塑性变形要求

（4）过盈连接的最小传递力验证：

Ftmin=17 148 478N

因为Ftmin＞Fx，所以托轮与托轮轴配合处的设计是合理的。

1.2加工时托轮与托轮轴的偏差

如果加工时，托轮与托轮轴的尺寸或形位公差没有达到图纸设计要求，配合面就会产生偏差△。如图2、3所示。

图2　托轮与托轮轴装配图（1）

图3　托轮与托轮轴装配图（2）

第一种情况：托轮及托轮轴在加工过程中出现了锥度，按图2进行热装后造成过盈量在整个轴长范围内分布不均。

第二种情况：托轮及托轮轴圆度公差没有达到图纸要求，出现椭圆，二者热装后造成过盈量在圆周长范围内分布不均（如图3所示）。

第三种情况：托轮与托轮轴尺寸公差没有达到图纸要求，托轮内径偏大，托轮轴外径偏小，导致热装后实际过盈量小于最小设计过盈量。

由Ft=［p］π dfLfμ，可以看出：当出现上述加工质量问题时，df有效直径变小，Lf有效配合长度变短，配合面所传递的力会成比例下降。

1.3运转时托轮与托轮轴配合面的温差

在回转窑运行过程中，由于筒体热辐射，轮带与托轮接触后会造成托轮与托轮轴之间出现温度差。托轮与托轮轴受热膨胀后，二者配合面膨胀量的不一致造成过盈间隙变小。通过对现场数据进行统计分析，发现托轮与托轮轴的平均温度差大约在30～50℃。在这种情况下，托轮与托轮轴之间的过盈量会减小。托轮和托轮轴配合面膨胀量偏差计算如下：

△=αdf△t（1）

式中：

△——托轮与托轮轴配合面膨胀量偏差值，mm

图4　托轮窜轴后现场图

图5　处理方案

图6　处理窜轴用材料

图7　现场焊接处理图

α——热膨胀系数，α=0.000 012mm/℃

df——托轮与托轮轴配合面直径，df=850mm

△t——托轮比托轮轴平均温度高30～50℃，即△t= 30～50℃

代入公式后，求得△=0.306～0.51mm

因为设计的最小过盈量［δmin］=0.53mm，最大过盈量：［δmax］=0.71mm，所以此时托轮与托轮轴配合处的最小过盈量值为0.02mm，已接近传递载荷所需的最小有效过盈量δmin，托轮与托轮轴配合面所传递的力下降。

综上所述，在温差和加工偏差共同影响下，托轮与托轮轴配合面所传递的力下降，当配合面所传递的力小于外力值时就会发生窜轴事故。

2事故的处理

当托轮发生窜轴（见图4红线圈出部分）后，现场必须停机处理，以免托轮沿托轮轴继续移动，造成托轮与其他零部件磕碰，产生不必要的损失。根据上述事故原因分析结果，制定了图5所示处理方案：即通过在托轮两侧焊接挡板和挡块来吸收外力。现场处理情况见图6、图7。该现场处理完成后，已运转多年，没有再次发生窜轴事故。实践证明，上述对托轮窜轴事故的处理方案是可行的。

3几点建议

（1）设计时，改变托轮与托轮轴的配合公差，建议过盈量控制在（0.008～0.01）df。

（2）加工时，应严格保证托轮与托轮轴配合面尺寸及直线度、圆度、圆柱度等公差要求，确保热装后配合面在长度及圆周方向过盈量均匀。

（3）实际运行时，现场应严格控制托轮表面温度，减小托轮与托轮轴的温差值。

［1］成大先.机械设计手册（第五版）第2卷［S］.北京：化学工业出版社，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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