【精选】浅析滚筒冷渣器滚圈失效形式及设计准则.doc

1浅析滚筒冷渣器滚圈失效形式及设计准则1．冷渣器概述冷渣器是随着 CFB 锅炉发展起来的一种锅炉炉后除渣辅助设备，它主要起降低渣温、回收余热、稳定炉压、保持料层厚度，稳定燃烧的作用冷渣器由最早的螺旋滚筒冷渣器，逐步发展出现了多种类型冷渣器如：蜂窝式冷渣器、振动式冷渣器、气槽式冷渣器、流化床式冷渣器、多管式冷渣器、钢带式冷渣器、滚筒式冷渣器等归纳起来目前国内使用的冷渣器分为机械式（包括滚筒、钢带、振动等）冷渣器和非机械式（包括风水冷、气槽等）冷渣器两类，各有其利弊由于滚筒冷渣器对底渣的粒度没有严格要求，可以对任何粒径的底渣进行冷却，因此，近年来滚筒冷渣器的应用越来越广泛，包括法国阿尔斯通（ALSTOM）的白马 300MW“示范电站”的滚筒冷渣器滚筒冷渣器如图 1 所示：图 1：滚筒冷渣器 1.进渣箱 2.滚圈 3.旋转筒体 4.托轮 5.出渣箱近年来随着 CFB 锅炉的产业化和大型化，滚冷渣器也向着大吨位、高压力方向发展，单台冷渣器制造直径已达到 2m，重量达到了 60 吨，出力达 35t/h，因此支撑冷渣机旋转筒体的滚圈安全性也越来引起各大电站的重视2．滚圈的受力分析 滚筒冷渣机如图 1 所示，冷渣机旋转筒体的所有重量支撑在托轮上，托轮施加予滚圈相同大小的反作用力如图 2a 所示：在滚圈受到重力载荷引起的支承反作用力下，同时承受其产生的弯矩，弯2矩对滚圈产生内应力，滚圈内侧受压，外侧受拉，受拉侧内应力因如图 2b 所示：受压侧内应力相反。

a:滚圈外力 a:滚圈内力 Rr:滚圈半径 Rt:托轮半径 Q：旋转筒体及物料、冷却水重量 Fr:托轮对滚圈的反作力 α：托轮与滚圈的接触角 Ma:重量 Q 产生的弯矩 q:圆环周线载荷 Rc:滚圈形心半径图 2：滚圈外、内力分析图3．冷渣器滚圈失效形式滚圈的失效有滚圈的断裂、疲劳点蚀、磨损及滚圈踏面变形3.1．滚圈断裂滚圈断裂在锅炉厂家时有发生，滚圈断裂可分为脆性断裂、延性断裂和疲劳断裂当滚圈在托轮支撑下旋转时，重力载荷的反作用力支撑在滚圈上，并且沿圆周方向交替变化如果在滚圈截面上，存在如裂纹、缩孔、气孔、夹沙等铸造缺陷或截面模量设计过小时，随着交变应力的长期作用下，就会产生疲劳断裂当滚圈发生初期断裂时一般是滚圈截面设计过小，不能承受托轮支承反作用力产生的弯矩，导致断裂3.2．滚圈疲劳点蚀当滚圈踏面在沿圆周方向交变应力的作用下，将出现不规则的细线状裂纹，随着应力循环次数的增加，裂纹也不断扩展，使踏面的金属脱落形成凹坑，就叫疲劳点蚀当发生点蚀后，滚圈踏面的光洁度下降，承载能力也随之降低，并引起旋转筒体的振动和噪声，同时加剧旋转接头、密封的磨损，降低了冷渣3器的使用寿命。

3.3．滚圈磨损滚圈磨损有滚圈与托轮的摩擦磨损和磨粒磨损由于滚圈支撑在托轮表面旋转时，滚圈受滚动摩擦，同时滚圈利用摩擦力带动托轮转动，滚圈与托轮间存在相对滑移，因此有滑移摩擦磨损和滚动摩擦磨损两种形式存在磨粒磨损是滚圈与托轮接触踏面进入渣粒、粉尘等，当滚圈转动时，渣粒等镶入滚圈表面，随着时间的推移，滚圈表面出现麻点、凹坑、剥落等现状3.3．滚圈踏面变形我们在使用冷渣机过程中往往会发现滚圈踏面不知不觉的成了波浪形或踏面表面蹋陷并变宽当滚圈在运转过程中承受重力载荷的反作用力，托轮与滚圈接触对滚圈形成挤压，当接触挤压应力超过滚圈材料的弹性变形，滚圈变形就不能恢复，滚圈长期运行受到反复的挤压，滚圈踏面就形成波浪形或蹋陷变宽当接触应力低于滚圈许用应力时，如托轮与滚圈全长接触很容易形成蹋陷变宽；而旋转筒体倾斜等原因造成滚圈与托轮部分接触就很容易造成踏面波浪变形踏面变形如图 2 如示：a:波浪形踏面 b: 蹋陷变宽踏面图 3：变形踏面4．滚圈的设计及校核 由以上分析可知，滚圈的失效形式有断裂、疲劳点蚀、磨损、变形几种对于磨损由于目前尚无行之有效的计算方法和完整的计算依据，因此只能根据实际经验以提高滚圈接触表面硬度来减缓磨损，延长滚圈使用寿命，故滚圈的设计应以防止滚圈断裂的弯曲疲劳强度设计和防止疲劳点蚀和变形的接触疲劳强度进行设计。

44.1．弯曲疲劳校核假定滚圈紧固在筒体上，此时由旋转筒体自重产生的载荷均布在滚圈圆周如图 2b 所示，均布载荷 q＝ ，根据等截面圆环的超静定问题求解作RcPiQ*2出弯矩图 4 如下：图 4：弯矩图（绘于滚圈接触角为 30°时的受拉侧）由弯矩图分析，滚圈在与托轮接触的截面的截面上生产弯矩最大，弯矩为Mmax=cos(α)* *RC ，当滚圈接触角为 30°时，最大弯矩为 0.86Q RC.滚圈Q弯曲应力为 σ=± ,正号为滚圈压应力，位于滚圈内侧；负号为拉应力为Wxma于滚圈外侧，Wx 为滚圈最危险截面抗弯模数弯曲疲劳校核 KFN*σ≤[σ]，式中[σ]许用弯曲应力，K FN是寿命系数，考虑应力循环次数对许用应力的影响一般铸钢 45 的许用弯曲和接触应力如表1：4.2．接触疲劳强度校核 如图 2a 所示滚圈与托轮间受力为两圆柱体线接触，最大接触应力为：5P0＝0.418 RtrqE*:为单位接触宽度上的载荷； ＝ （Kg/cm）qBrQ*cos2Q：为支承载荷，为各支座反力的最大值(Kg):为接触角，滚圈与托轮连线与垂线方向的夹角（ °）Br:为滚圈宽度 （cm ）E:为滚圈材料弹性模量， E＝2X10 6 (Kg/cm2)Rr：为滚圈的外半径 (cm)Rt：为托轮的外半径 （cm ）接触疲劳应力校核 KHNP0≤[ P]，式中 KHN 为接触疲劳寿命系数，[P] 为许用接触应力。

以上弯曲疲劳寿命系数和接触疲劳寿命系数可参照机械零件等手册选取参考文献：[1] 《机械零件》张绍形甫、徐锦康主编，机械出版社， 1990 年[2] 《回转窑设计使用维修》回转窑编写组，1977 年[3] 《热交换器设计手册 转式粉体热交换器设计》尾花英郞主编， 1973 年[4] 《机械设计手册》成大宪主编，化学工业出版社，20001 年。