马丁炉托轮总成优化设计探讨

2021-04-12王康宁胡耀文谭龙伟徐文浩蒋金陶

重庆电力高等专科学校学报 2021年1期

向鹏，王康宁，胡耀文，谭龙伟，徐文浩，蒋金陶

(1.成都供电公司变电运维工区，四川成都 610081；2.重庆电力高等专科学校，重庆 400053)

随着我国经济的进步和城镇化的快速发展，各种工业垃圾和生活垃圾围城问题已成为严重制约城市继续发展的瓶颈，如何将这些有用垃圾变废为宝已成为我们急需解决的一个重要课题。目前的垃圾处理方式主要有围场填埋、工业堆肥、无害化焚烧、金属废品回收等，这几种垃圾处理方式各有优缺点[1-2]。其中垃圾焚烧发电具有垃圾总量减量明显、无害化彻底、可再生能量等优点，符合人类可持续发展战略的目标，也受到人类的日益重视[3-4]。我国西南地区的城市垃圾具有高热值、高水分的特点，马丁炉因其具有适应热值范围广、负荷调节能力大、可操纵性好等优点而被广泛运用。托轮总成是马丁炉的关键热力传输设备，也是炉排的主要支撑运动部件，它安装在用于支撑炉排的Z字梁下，随着Z字梁运动托轮而转动，托轮运动工况的完好与否，是影响炉排运转的主要因素之一[5-8]。托轮工作环境温度在220～250 ℃之间，运行过程中工况复杂，除了承受热应力，还承受扭转应力和接触应力，当其中之一过大时，就会导致托轮损坏，甚至导致炉排卡死停机。因托轮单件重，体积大，制作工艺复杂，生产周期长，维修、更换困难，停炉检修时间至少8天，会给企业造成重大的经济损失，所以托轮的自身品质与日常维护尤为重要。日本三菱重工马丁炉托总成的设计结构如图1所示，某电厂自己仿造的托轮结构如图2所示。

图1 日本三菱重工马丁炉托轮总成的设计结构

图2 某电厂自己仿造的托轮结构

1 存在问题

某电厂引进垃圾焚烧炉设备为日本三菱重工的马丁炉，该设备在运行过程中主要出现以下重大故障：用于支撑炉排运动Z字梁的托轮经常在设计运行寿命周期内出现报废现象，使设备经常处于停炉检修状态。

针对该公司的设备弊端，就企业提出的设备痛点问题进入马丁炉现场进行实地调研，现场分析托轮总成损坏报废的原因。

1)外因：

①托轮所承载的负荷为变量载荷；

②托轮内部装配的圆柱滚子轴承同时承受径向力和轴向力。

2)内因：

①设计的轴承结构不合理，圆柱滚子轴承只能承载径向载荷，轴向载荷的承载能力为零，且轴承保持架的结构尺寸太单薄；

②托轮轴的结构不合理，当托轮同时承受径、轴向力时，其载荷合力的方向与托轮轴的轴线形成夹角，将处于运动状态下的圆柱滚子端头卡死在托轮轴表面的孔洞里，托轮轴的轴线与保持架的轴线发生相对角位移，继而造成轴承保持架扭曲变形甚至断裂，使托轮提前报废；

③托轮内部的圆柱滚子轴承的轴向定位为错误结构，轴向定位在圆柱滚子保持架上，造成圆柱滚子与保持架不能沿着托轮轴公转，只能使圆柱滚子在保持架内自转，当托轮轴经过长时间的运行，圆柱滚子保持架的轴线与托轮轴的轴线相对角位移越变越大，同时保持架与圆柱滚子之间的接触间隙也越来越大，当其大到一定程度时，底部润滑材料铅粉掉落，润滑材料不能顺利地进入轴瓦底部，导致保持架出现高温发热现象，由于圆柱滚子与保持架磨损间隙过大，导致圆柱滚子保持架的变形超过正常范围，或使圆柱滚子与保持架接触面发生改变，造成圆柱滚子保持架出现受力不均的情况，引起托轮保持架高温发热或断裂；

④用于支撑炉排运行的Z字梁在运动过程中时常出现平面窜动，在Z字梁与托轮表面线接触的过程中会在托轮的轴向产生偏转的破坏扭矩，此扭矩产生的力也可使托轮保持架间出现相对挫动和摩擦，使托轮保持架端面受力过大，轴向受力不均；

⑤托轮总成的装配结构设计不合理，不便于拆卸维修；

⑥托轮总成的轮轴两端没考虑防尘结构、也是造成托轮内部轴承卡死的原因之一。

托轮轴密封不良，轴表面的圆孔(用于装入铅粉，润滑圆柱滚子，而实际情况是铅粉在托轮内部处于干结状态)杂质进入严重，发生圆柱滚子跟轴瓦不良研磨，导致发热，不仅没有起到对圆柱滚子的润滑作用，反而恶化润滑环境。润滑材料选用错误是导致托轮轴瓦温度上升的一大因素。

2 解决方案

在该公司的技改方案中(图3、图4)，从以下4个方面对托轮总成进行了优化设计。

1)将托轮的外轮廓由三菱重工的圆柱形设计为腰鼓形，改变了托轮轴向外表面与Z字梁的接触方式，由原来的线接触改为了点接触，减小了作用在托轮表面的旋转扭矩的力臂长度。其作用在于，当托轮受到轴向轴向载荷时，可最大限度地减小外来扭矩对托轮总成的破坏。

2)将非标轴承中的滚动体由原来的圆柱形改为腰鼓形，使原来只能承受单向的径向载荷变为同时承受径向与轴向双向载荷，且腰鼓形滚动体具有自动复位定心功能。

3)非标轴的轴向定位由三菱重工设计的定位轴承保持架改为定位轴承外圈，使圆柱滚子保持架在托轮的结构中处于悬浮非受力状态，改变轴承的受力环境，使轴承的运行工况处于正常的受力状态。

4)增设托轮总成的轴向密封结构，最大限度地杜绝垃圾燃烧过程中产生的灰尘侵入轴承，彻底改变轴承的润滑环境，提升滚动体的润滑品质。

图3 托轮总成结构平面图

图4 托轮总成数字样机效果图

使用专用的托轮润滑材料。聚四氟乙烯复合石墨表面浸铜。此润滑材料相对于铅粉更加环保，也更耐高温，在本工程实际运行温度黏度较大，增加了腰鼓滚动体的抗压能力，有利于形成润滑膜。

根据使用周期和使用情况对密封圈进行保养，保证密封圈在使用过程中能保持弹性与完好性，密封圈使用时间不宜过长，以防止因磨损或老化造成设备进入灰尘；在日常巡检中，应检查托轮轴承润滑系统的完好性，观察密封圈是否存在松动或脱落的情况，如若发现异常情况应及时组织现场人员进行处理。

3 模拟仿真试验

经调研，该公司每次检修1台锅炉，需耗时8天，在检修期间，将产生以下损失。

1) 锅炉8天的垃圾焚烧量：

23 t/h×24 h×8 d=4 416(t/8d)

2) 8天发电量损失量：

400 kw·h/t×4 416 t=1 766 400(kw·h/8d)

3)8天售电损失费用：

0.60元/kW·h×1 766 400kW·h/8d=1 059 840(元/8d)

4)焚烧8天垃圾量的财政补贴：

100元/t×4 416(t/8d)=441 600(元/8d)

以上两项总计损失：

1 059 840(元/8d)+441 600(元/8d)=

1 501 440(元/8天)

由于技改的实际耗时是一个不确定因素，托轮总成又涉及两个方案，为了减少该公司在技改过程中的不必要耗时所带来的经济损失，在托轮装机前，先期做一个模拟试验，确定托轮的适用方案，再进行技改安装。针对这一具体情况，设计了1台模拟仿真马丁炉运行环境的托轮磨合装置(见图5和图6)，用于锅炉改造前期托轮的磨合试验。装置说明如下。