摘要: 针对除渣机以往安全装置存在的缺陷,采用具有过载能自动停车并报警的端面牙嵌式安全离合器。分析其特点。介绍其设计要点和使用效果。

关键词: 除渣机 安全离合器 过载保护

DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.001

一、概述

工业锅炉机械除渣设备一般采用框链式刮板除渣机。这种除渣机比较坚固,输送效率也较高,但由于单位长度自重较大,加上灰渣在输送过程中的磨削作用,零部件及导轨磨损较快,故障率较高,尤其是当几台锅炉共用一台除渣机时,由于输送距离过长,故障率就更高。我厂锅炉房有蒸汽锅炉SHD8-13型两台和SHD4-13型一台,共用一台框链式刮板除渣机。其布置见图1。设备水平部分置于锅炉房地下室设有水封的渣槽内,渣槽为砖混结构,其两内壁各布置两条支撑刮板链条的钢导轨;设备室外部分呈倾斜布置,倾角为29.5°。设备刮板链条部分由链板、刮板、长短销轴、滚轮和滑块等组成。设备总长约70米,宽450mm自重约3吨,驱动功率7.5 Kw,齿轮减速。运行时无人值守。上个世纪八十年代初刚投运的两三年内,故障较少。但随着使用年限增加,故障越来越多,而且多数故障由于未能得到及时发现,造成的后果都比较严重。今天不是将刮板链条拉断,明天就是导轨拉变形,处理起来相当费事,特别是当故障点发生在渣槽水封段时,少则两三个小时,多则五六个小时,严重影响了锅炉的正常运行。尽管电机控制部分装有热继电器,但由于元件热惯性和参数的误差,几乎起不到过载保护作用。我们曾在电机输出轴端安装过湿式多盘安全离合器,该离合器一遇到过载产生滑动后,往往因高速摩擦又不能及时得到停车而引起摩擦片迅速升温,导致摩擦系数变化即摩擦力增大,超过额定扭矩而失去过载保护作用。有时因摩擦片过热而产生粘连,事后需要重新更换摩擦片和调整摩擦力矩。

二、离合器改造方案

为了能够有效地解决除渣机的过载保护问题,我们在加强平时检修工作的基础上,针对除渣机低速重载、磨损快、无人值守以及运行条件差等特点,除了对其输出端适当缩短外,重点还是放在了除渣机安全装置的重新选择与设计上。经分析研究,决定在驱动部分低速轴即主动链轮轴上装设一个具有过载能自动停车并报警的端面牙嵌式安全离合器(图2)。该安全离合器实际上由机械与电器两部分组成,具有以下特点:

(一)过载滑动后立即停车并报警。离合器牙齿设计高度为8mm,由于过载被动齿圈逼迫压缩弹簧而产生轴向位移,在脱开前便触动距离该齿圈3-4mm的行程开关触头,行程开关发出停车和报警信号,电机停止运转,安装在操作室的远程报警器发出声音报警。

(二)电机在停止运转过程中,尽管传动设备存在着惯性,但由于链轮主轴正常转速只有2r/min即离合器过载滑动转差速度非常小,被动齿圈脱开后,主动齿圈与其作急剧减速滑动运动,两者还未进入下一个牙齿结合,主动齿圈早已停止运转,避免了该离合器过载后存在着频繁离和合的缺陷,大大减少了离合器和被保护零部件的冲击和磨损。

(三)工作可靠。因为滑动转差速度非常小,离合器齿面摩擦系数即摩擦力矩稳定。

(四)设备故障排除后,点动启动电机,离合器复位,设备进入正常运转。不必重新调整,操作方便。

三、离合器设计要点

从理论上讲主动链轮轴负载扭矩M在除渣机设计时已经计算过,但一般取值较实际偏离过大,例如①锅炉单位时间产渣量;②刮板链条对导轨的摩擦系数;③煤渣与刮板链条及导轨摩擦系数等。这些参数一般都取最大值。另外除渣机刮板链条长度要作适当缩短。所以,为了能够设计出比较可靠的安全离合器,应根据实际运行工况详细而准确地重新进行计算。

(一)主动链轮轴负载扭矩M计算: M=KTR (Nm);

K——包括尾部机构摩擦损失和其它未计入摩擦损失系数,一般取1.1;

T——主动链轮张力,(N),其中包括空载张力和负载张力,经计算得出T=7205.42N;

R——主动链轮节圆半径,(m),R=0.25。将K、T和R值代入得主动链轮轴负载扭矩M=KTR=1.1×7205.42×0.25=1981.49Nm。

(二)离合器计算扭矩Mc计算:因离合器布置在主动链轮轴上,所以 Mc=βM=1.4×1981.49=2774.09Nm ;β——安全系数,取1.4。

(三)离合器类型及材质:采用端面压嵌式,牙面工作倾角α取30?,牙高8mm, 见图3。牙数Z=3,主被动齿圈材质45#钢,牙齿表面高频淬火HRC45-50。

(四)离合器滑键轴径确定:由于离合器布置在主动链轮轴端,所以离合器滑键轴与主动链轮轴应设计为整体轴。又因原主动链轮轴抗扭强度足够,所以离合器滑键轴径大小应与原主动链轮轴径接近。取外径为φ78mm,平均直径dm为75mm。

(五)离合器牙面径向尺寸: 外径φ165mm,内径φ85mm,平均半径Rm为62.5mm。

(六)弹簧工作压力: P1 = [tan(α-ρ)-], (N);

ρ——工作面摩擦角,(?),一般取6?;

μ——滑键摩擦系数,取0.16;

将Mc、Rm、α、ρ、μ、和dm值代入得

P1=[tan(α-ρ)-]=[tan(30-6)-]=7925.56N。

(七)牙面挤压应力: бp= ≤бpp (N/ mm2);

Ap——牙面挤压面积,(mm2)。由离合器牙高和径向尺寸得出Ap=40×8/cos30=369.6 mm2;

бpp——许用挤压应力,(N/ mm2),45#钢表面淬火,一般取88～117 N/ mm2;

Zj——计算牙数,取Zj=1/2Z=1/2×3=1.5;

将Mc、Ap、Rm和Zj值代入бp==80.06<бpp=88～117,挤压强度足够。

(八)弹簧主要参数确定:

1弹簧刚度P′计算: P′= (N/ mm),已知弹簧工作压力P1=7925.56N,取过载脱齿时最大工作压力P2=2×7925.56N,变形量h=8 mm,代入得

P′= ==990.7N/ mm。

2弹簧丝直径d:取弹簧指数C=4,经试算并考虑到弹簧中径与离合器径向尺寸一致性及工作圈数及轴向尺寸,取d=32mm。

3弹簧中径D2:根据D2=Cd, 得D2=4.1×32=131mm。

4单圈刚度:P1′===4664.3N/mm;

G——剪切弹性摸量,(N/mm2)。

5工作圈数:n= ==4.71, 圆整为n=4.5。

四、电机控制线路改进

原电机控制线路只装有热继电器保护,为了配合离合器实现本安全装置所要求的功能,对除渣机驱动电机控制线路作了相应的改进。改进后的控制线路增加了四种功能:1.过载自动停车;2.停车并报警;3.点动控制;4.报警声音消除。控制线路原理见图4。其过载保护动作次序如下:

按X按钮→ZJ2通电→ZJ2触头自琐→ZJ2常闭触头断开→报警声音消除。

按D点动按钮→C通电→C主触头闭合→电机点动启动→离合器复位。

自从除渣机安装了上述安全离合器后,经过多年使用,证明其工作性能还是比较可靠的。除渣机每次遇到过载几乎都能实现自动停车和报警,从而确保了重要传动设备和刮板链条的整体安全,有力地保证了锅炉的正常运行。检修人员每次得到报警后,及时对其进行检查和排除。一般引起过载的原因是:①滚轮或滑块或短销轴脱落;②导轨局部磨穿或焊缝开裂;③炉膛掉砖进入渣槽等。这些其中之一都有可能卡住刮板链条而引起过载。不过,这些故障处理起来都比较容易,一般不会影响锅炉的正常运行。

五、结论

如果锅炉房有两台以上锅炉共用一台除渣机时,一般除渣机距离司炉工操作室都比较远,而且多数除渣机都是无人值守,又由于输送距离长,故障多,如果不能及时发现和处理会导致事故的进一步扩大,势必会影响锅炉的正常运行。所以安全装置对除渣机的过载保护来说就显得非常重要,当然定期的检修和平时运行的巡视检查也应该加强。本厂为除渣机安装的由机械和电器两部分功能组合而成的安全离合器是根据该设备多年安全状况自行设计的。其优点是性能稳定,工作可靠,简单实用,投资很少,但由于该安全离合器是安装在低速轴上,存在着体积较大,复位时冲击力大等缺陷,这些有待进一步完善。现在市场上电机过载保护元器件种类很多,其中电子式过流保护器比较灵敏,重量轻,体积小,但其工作稳定性不够可靠,而且价格比较贵。

参考文献

1.《机械设计手册》(第 四 版)第1、2卷,化学工业出版社,2002。

2.《工业锅炉房设计手册》(第二版),中国建筑工业出版社,1987。

作者简介:

王武,工程师,从事动力机械和锅炉安全技术管理工作。