賁道春

（江蘇鵬飛集團(tuán)股份有限公司）

輪帶擋圈是用于限制輪帶在墊板上位置的零件。20世紀(jì)限制輪帶位置一直使用擋塊結(jié)構(gòu)，直到21世紀(jì)初，為了增加擋塊與輪帶的接觸面積，減少磨損，部分設(shè)計開始采用間斷式擋環(huán)（每段擋環(huán)弧長1m左右）。擋塊或擋環(huán)是多塊或多段結(jié)構(gòu)，不存在斷裂問題，只因接觸面積大小而存在磨損快慢問題。為了追求擋環(huán)與輪帶接觸面積Z大化和磨損Z小化，近幾年有些設(shè)計采用整體擋圈代替擋環(huán)。

但是整體擋圈在使用過程中可能會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，例如某線回轉(zhuǎn)窯在剛剛投產(chǎn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，某檔輪帶整體式擋圈在非焊接位置突然斷裂，雖然現(xiàn)場進(jìn)行了焊接處理，但對是否還存在斷裂隱患存在顧慮。

擋圈內(nèi)徑（或擋圈與墊板之間的熱膨脹間隙）控制不當(dāng)，容易導(dǎo)致使用過程中斷裂。分析整體式擋圈斷裂問題出現(xiàn)的真正原因，有利于為其設(shè)計、制造、安裝提供依據(jù)和幫助，避免在投產(chǎn)初期或熱工不穩(wěn)定時出現(xiàn)擋圈斷裂影響運(yùn)行的問題。

1　原因分析

1.1　斷裂機(jī)理

整體擋圈為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，在制造廠加工成整體。為了方便運(yùn)輸，制造廠將其分割成兩半或多片，現(xiàn)場安裝時再編焊成整體。整體擋圈斷裂的現(xiàn)場狀況如圖1所示。斷裂位置是非焊接位置，說明擋圈焊接質(zhì)量不存在問題。能夠?qū)е聯(lián)跞嗔训脑蛑豢赡苁窃谶\(yùn)行中擋環(huán)截面產(chǎn)生了巨大的拉伸應(yīng)力。

圖1　整體擋圈斷裂照片

如果擋圈與墊板之間沒有預(yù)留熱態(tài)膨脹間隙，筒體和墊板的徑向膨脹力就會轉(zhuǎn)化為擋圈環(huán)向截面拉伸應(yīng)力。當(dāng)擋圈環(huán)向截面拉應(yīng)力超過材料許用拉伸應(yīng)力時，將發(fā)生塑性變形或斷裂。由于擋圈截面積較小，擋圈不能承受筒體和墊板的徑向膨脹力時導(dǎo)致?lián)跞嗔?。擋圈斷裂后，擋圈的拉伸?nèi)應(yīng)力得到釋放，將不再產(chǎn)生第二處斷裂。這就意味著整體擋圈設(shè)計和安裝時預(yù)留一個開口很有必要。

1.2　設(shè)計分析

設(shè)計數(shù)據(jù)舉例：擋圈內(nèi)徑Φ5 270 mm（未注公差）；輪帶內(nèi)徑Φ526 6^+1.0 0mm，即Z大極限尺寸Φ5 267 mm。擋圈內(nèi)徑Φ5 270 mm，設(shè)計未注公差，按照GB/T 32994—2016《水泥工業(yè)用回轉(zhuǎn)窯》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“圖樣上機(jī)械加工面的未注公差值的極限偏差應(yīng)符合GB/T 1804—2000中m級的規(guī)定[1]”。GB/T 1804—2000《一般公差 未注公差的線性和角度尺寸的公差》[2]標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了4 000 mm以下尺寸的未注公差，對于大于4 000 mm的尺寸（如該例的尺寸Φ5 270 mm）未注公差無法執(zhí)行GB/T 1804—2000標(biāo)準(zhǔn)。因此擋圈重要內(nèi)徑尺寸Φ5 270 mm的Z小極限尺寸因為未注公差而無法確定和控制，成為該例的設(shè)計缺陷。

輪帶與墊板之間的間隙設(shè)計已經(jīng)考慮預(yù)留熱態(tài)安全間隙。從理論上分析，只要擋圈內(nèi)徑Z小極限尺寸不小于輪帶內(nèi)徑Z大極限尺寸，就能說明設(shè)計是合理的。該例擋圈的實際安裝內(nèi)徑只要小于輪帶內(nèi)徑Z大極限尺寸，就有可能存在擋圈斷裂的風(fēng)險。

1.3　安裝問題分析

假定因未注公差將擋圈內(nèi)徑Φ5 270 mm加工成Φ5 267 mm（亦稱擋圈內(nèi)周長為5 267π mm）或更小，輪帶內(nèi)徑為合格尺寸Φ5 267 mm（亦稱輪帶內(nèi)周長為5 267π mm），則擋圈現(xiàn)場編焊效果為擋圈內(nèi)徑等于或小于輪帶內(nèi)徑（亦稱擋圈內(nèi)周長等于或小于輪帶內(nèi)周長）。由于上述原因?qū)е螺啂c墊板熱態(tài)間隙為0或過盈，說明設(shè)計制造未能保證擋圈與墊板之間能夠存在一定的熱態(tài)間隙，擋圈斷裂危險將隨時發(fā)生。

只有當(dāng)擋圈現(xiàn)場編焊時擋圈內(nèi)徑大于輪帶內(nèi)徑（亦稱擋圈內(nèi)周長大于輪帶內(nèi)周長）時，才能保證擋圈與墊板之間熱態(tài)時存在間隙，不存在斷裂的隱患。

1.4　類似問題對比

回轉(zhuǎn)窯類似膨脹或收縮導(dǎo)致零部件損壞問題還有輪帶與墊板之間的間隙、托輪和托輪軸的配合。

輪帶截面較大，輪帶對筒體徑向膨脹力的反作用力足以憋壞筒體或筒體內(nèi)部的耐火內(nèi)襯（亦稱縮頸）。擋圈的截面較小，剛度和強(qiáng)度遠(yuǎn)小于筒體。擋圈對筒體徑向膨脹力的反作用力不但不產(chǎn)生損壞筒體和筒體內(nèi)部耐火內(nèi)襯的后果，反而擋圈本身被筒體徑向膨脹力損壞，導(dǎo)致斷裂（亦稱崩圈）。

托輪和托輪軸配合過盈量過大（或由于軸孔的圓柱度超標(biāo)原因產(chǎn)生裝配后局部過盈過大）會導(dǎo)致與擋圈同樣的斷裂后果，其斷裂未必是托輪或擋圈存在缺陷或制造質(zhì)量問題，較大收縮應(yīng)力的存在可能會導(dǎo)致托輪隨時隨地發(fā)生斷裂。

2　預(yù)防措施

2.1　膨脹間隙

以輪帶內(nèi)徑的Z大極限尺寸為擋圈內(nèi)徑Z小尺寸的基準(zhǔn)，留足膨脹間隙是擋圈的設(shè)計原則。設(shè)計時標(biāo)注擋圈內(nèi)徑公差，明確Z小極限尺寸十分重要。擋圈內(nèi)徑Z小極限尺寸不小于輪帶內(nèi)徑Z大極限尺寸是設(shè)計控制的關(guān)鍵。

如輪帶內(nèi)徑的尺寸為Φ526 6^+1.0 0mm（即Z大極限尺寸為Φ5 267 mm），則擋圈的內(nèi)徑尺寸可確定為Φ526 7^+4.0 +1.0mm。根據(jù)留足擋圈膨脹間隙的設(shè)計原則，擋圈內(nèi)徑的制造內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)可確定為Φ526 7^+4.0 +3.0mm。

2.2　設(shè)計結(jié)構(gòu)

封閉環(huán)結(jié)構(gòu)的擋圈只要出現(xiàn)與墊板間接的設(shè)計間隙過小的情況，筒體和墊板熱態(tài)膨脹將對擋圈產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，必然有熱態(tài)斷裂的隱患。

如果將擋圈封閉環(huán)結(jié)構(gòu)更改為開口環(huán)結(jié)構(gòu)，安裝固定方式作相應(yīng)的變化，其擋圈與輪帶的接觸面積仍然極大，在任何情況下都不會因筒體熱態(tài)膨脹對擋圈產(chǎn)生破壞性拉伸應(yīng)力。開口環(huán)結(jié)構(gòu)的擋圈在設(shè)計、制造、安裝方面對膨脹間隙都不需要嚴(yán)格控制，完全可以避免投產(chǎn)初期出現(xiàn)封閉環(huán)結(jié)構(gòu)的擋圈斷裂現(xiàn)象。

2.3　制造工藝

機(jī)加工前應(yīng)預(yù)先考慮分割縫隙時去除材料引起的擋圈周長減小量。在內(nèi)徑機(jī)加工時預(yù)先給予彌補(bǔ)。如擋圈內(nèi)徑目標(biāo)值為Φ5 270 mm，分割縫隙占用擋圈周長總計達(dá)到8 mm，則內(nèi)徑需增加至Φ5 272.6 mm（即增加8/π mm），從制造角度滿足現(xiàn)場編焊后內(nèi)徑目標(biāo)值Φ5 270 mm對應(yīng)的周長5 270π mm要求。

制造工藝關(guān)鍵在于機(jī)加工前預(yù)估分割縫隙占用擋圈周長的準(zhǔn)確性。即對采用分割設(shè)備形成分割縫隙寬度的穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確的評估，為機(jī)加工增大擋圈直徑提供可靠的依據(jù)。

2.4　出廠配對標(biāo)記

在同一安裝現(xiàn)場安裝的多臺回轉(zhuǎn)窯擋圈容易混淆。即便單臺三檔支承回轉(zhuǎn)窯的6個擋圈，也容易混淆。制造分割時同一擋圈宜做相同的標(biāo)記（臺標(biāo)記和檔標(biāo)記），防止安裝現(xiàn)場混淆配對導(dǎo)致間隙或大或小。

2.5　安裝測量與修正

1）安裝過程中的擋圈周長測量判斷法

安裝時應(yīng)該檢查擋圈與墊板的間隙。間隙不夠時應(yīng)在擋圈對接焊縫處墊以適當(dāng)厚的鋼板；間隙過大時應(yīng)采用修磨等方法去除材料縮短擋圈周長。間隙檢查應(yīng)在Z后一道編接縫隙施焊之前，滿足要求后方可施焊Z后一道編接縫隙。安裝時檢查擋圈周長應(yīng)作為整體擋圈的安裝規(guī)范要求。

對于直徑較大截面較小的整體圓環(huán)“面條”形擋圈，整體剛度極差，變形極大，其形狀是“圈”，各處的直徑不固定。擋圈離開機(jī)床分割分片前后或編接前后都無法直接測量其直徑，但可以通過π尺測量其平均直徑。

剛度極差的圓環(huán)，其平均直徑數(shù)值是依靠可測量的周長數(shù)據(jù)支撐的。測量和控制擋圈周長間接推算平均直徑是有效控制膨脹間隙的途徑。擋圈周長測量目的，是為擋圈編焊時補(bǔ)償缺失的周長或去除多余的長度提供可靠依據(jù)。

如圖2所示，可以通過外圓周長的測量數(shù)據(jù)c1、擋圈徑向?qū)挾葴y量數(shù)據(jù)b、墊板外圓周長測量數(shù)據(jù)c2進(jìn)行推算。

圖2　擋圈與墊板之間的尺寸關(guān)系

a'=（c1-c2）/π-2b（1）

式中：a'——擋圈與墊板之間的實際間隙值，mm；

c1——擋圈外周長，mm；

c2——墊板外圓周長，mm；

π——圓周率，取3.14 159 26；

b——擋圈徑向?qū)挾取?/p>

因為是通過周長測得直徑，可將生產(chǎn)尺時的刻線誤差縮小π倍后反映到測量結(jié)果上[3]。在Φ500 mm以上的大直徑測量中，π尺精度高于游標(biāo)卡尺；在Φ1 000 mm以上的測量中，這一優(yōu)點(diǎn)尤為突  出[3]。用π尺測量鋼鐵件時不受工件溫度的影響，這是因為π尺很薄，測量時將在很短的時間內(nèi)能與被測件等溫，又因它們的熱膨脹系數(shù)極為接近，可以克服溫度的影響[3]。尺寸Φ5 500 mm的π尺測量示值誤差僅為±0.15 mm[3]。如圖2所示，通過π尺測量擋圈外徑d1和墊板外徑d2推算擋圈與墊板之間的實際間隙值a'更為方便準(zhǔn)確。推薦計算方法：

a'=d1-d2-2b（2）

式中：d1——擋圈外徑，mm；

d2——墊板外徑，mm。

擋圈周長安裝補(bǔ)償量L通過間隙設(shè)計值a、擋圈與墊板之間的實際間隙值a'進(jìn)行推算。

L=（a-a'）×π（3）

式中：L——擋圈周長安裝補(bǔ)償量，mm；

a——間隙設(shè)計值，mm。

當(dāng)L為正數(shù)時，說明測量間隙a'小于設(shè)計值，可通過墊鋼板焊接的方法增加擋圈周長；當(dāng)L為負(fù)數(shù)時，說明測量間隙a'大于設(shè)計值，可通過修磨等去除材料的方法縮短擋圈周長。

2）使用過程中的擋圈周向位移測量判斷法

眾所周知，回轉(zhuǎn)窯在使用過程中，由于輪帶和墊板之間間隙的存在，因而輪帶與墊板在周向發(fā)生位移。輪帶內(nèi)孔與墊板外圓柱面之間發(fā)生滾動，回轉(zhuǎn)窯筒體每轉(zhuǎn)動一圈，輪帶與墊板在周向位移的距離（即周長差）約為間隙的π倍。

同樣，回轉(zhuǎn)窯在使用過程中，由于擋圈和墊板之間間隙的存在，擋圈與墊板在周向也發(fā)生位移。擋圈內(nèi)孔與墊板外圓柱面之間發(fā)生滾動，回轉(zhuǎn)窯筒體每轉(zhuǎn)動一圈，擋圈與墊板在周向位移的距離（即周長差）約為間隙的π倍。

因此，在回轉(zhuǎn)窯使用過程中，只要在擋圈側(cè)面和墊板上做上對應(yīng)的記號，就能測量出熱態(tài)或冷態(tài)回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)中擋圈和墊板之間的周向位移量。其平均每轉(zhuǎn)動一圈的位移量l對應(yīng)的間隙a'為l/π。

如果輪帶和墊板之間或擋圈和墊板之間不存在間隙，將不產(chǎn)生周向位移或熱態(tài)被“咬死”，存在擋圈斷裂隱患。

通過擋圈和墊板之間周向位移量的測量，可以進(jìn)行如下幾方面的判斷：

a）能夠通過目測周向位移判斷冷態(tài)或熱態(tài)回轉(zhuǎn)窯擋圈和墊板之間是否存在間隙。

b）能夠通過周向位移量推算冷態(tài)或熱態(tài)擋圈和墊板之間的間隙實際值。

c）能夠通過是否有周向位移判斷是否存在因膨脹間隙過小的擋圈斷裂隱患。

3　結(jié)論

（1）認(rèn)識整體擋圈與墊板之間間隙的重要性，在設(shè)計、制造、標(biāo)記、安裝等四個方面把握好間隙控制方法，或?qū)跞υO(shè)計結(jié)構(gòu)作更合理的改進(jìn)，完全可以避免整體擋圈因熱膨脹原因產(chǎn)生的斷裂問題。

（2）制造和安裝中保證擋圈周長達(dá)到設(shè)計對應(yīng)直徑的要求，是防止擋圈熱態(tài)斷裂Z有效的預(yù)防措施。（3）通過擋圈和墊板之間周向位移量的測量，能夠判斷冷態(tài)或熱態(tài)回轉(zhuǎn)窯擋圈和墊板之間是否存在間隙；能夠推算冷態(tài)或熱態(tài)擋圈和墊板之間的間隙實際值；能夠判斷是否存在因間隙問題的擋圈斷裂隱患。

來源：《水泥》2018年第10期