FU 型鏈式輸送機磨損問題探析

郝英星，任麗媛，王永樹

（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209）

0 引言

國內(nèi)某煤化工企業(yè)擁有目前世界上唯一一套年產(chǎn)油品180萬噸的煤炭直接液化示范工程項目生產(chǎn)線。該示范工程具有自主知識產(chǎn)權(quán)，工藝裝置主要包含煤制氫、“863”高效催化劑制備、煤直接液化、產(chǎn)品精制四大部分。其中催化劑制備是利用部分煤炭液化原料煤作為載體，在煤炭表面合成納米級的水合氧化鐵（FeOOH），經(jīng)干燥、研磨后與溶劑混合制備成油煤漿，做煤直接液化用催化劑。該催化劑的突出優(yōu)點是制備出了納米級的活性組分（電鏡下直徑約30 nm、長度約120 nm），活性高使煤液化的油收率高[1]。在催化劑制備裝置中，F(xiàn)U350 型鏈式輸送機是催化劑產(chǎn)品輸送的重要設(shè)備，該設(shè)備在運行中出現(xiàn)輸送系統(tǒng)零部件異常磨損問題，影響整個裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)，針對此問題對該設(shè)備展開分析，以找到解決問題的辦法。

1 FU 型鏈式輸送機在“863”催化劑制備中的應(yīng)用

1.1 FU 型鏈式輸送機

FU 型鏈式輸送機又稱拉鏈機、鏈運機，屬于埋刮板輸送機的一種形式，隸屬于物料輸送機械設(shè)備中刮板輸送機范疇。埋刮板輸送機按結(jié)構(gòu)分為6 種型式（水平型S、垂直型C、Z 型Z、平面環(huán)型P、立面環(huán)型L、扣環(huán)型K），按輸送物料的特性分為4種型式（普通型、熱料型R、耐磨型M、氣密型F）[2]。埋刮板輸送機具有結(jié)構(gòu)簡單、易制造、易安裝、易操作、密閉運行安全可靠、輸送量可調(diào)、物料損傷損耗小、可多點加卸料等優(yōu)點，在建材、化工、火電、糧食加工、礦山、冶煉、交通、港口等行業(yè)優(yōu)勢明顯，在國民經(jīng)濟中運送散料物體方面扮演著重要角色[3]。

FU 型鏈式輸送機由驅(qū)動系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、箱體及調(diào)節(jié)系統(tǒng)三大部分組成，其中驅(qū)動系統(tǒng)中有電機、擺線針輪減速機、傳動滾子鏈、聯(lián)軸器、傳動鏈輪；物料輸送系統(tǒng)有輸送鏈頭輪、導向尾輪、支撐托輪、U 形滾子鏈、上下軌道；箱體及調(diào)節(jié)系統(tǒng)有箱體、張緊絲杠、軌道支撐架。由驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩作用在頭部鏈輪上，通過托輪托舉、軌道引導、導向輪換向張緊的共同作用實現(xiàn)鏈條回轉(zhuǎn)運動。FU 型鏈式輸送機技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 FU 型鏈式輸送機技術(shù)參數(shù)

FU 型鏈式輸送機在輸送粉狀、粒狀、小塊狀散料時，因箱體內(nèi)物料各微粒之間存在內(nèi)摩擦力和內(nèi)壓力的特性，在輸送機的輸送鏈及其附件的回轉(zhuǎn)運動下，物料受到與輸送鏈運動方向一致的拉力，使物料微粒間內(nèi)壓力和內(nèi)摩擦力增大。當料層之間的內(nèi)摩擦力大于物料與箱體側(cè)壁的外摩擦力時，物料將隨著輸送鏈一起向前流動，當料層高與機槽寬的比值滿足一定條件時，可形成穩(wěn)定的物料流，實現(xiàn)鏈式輸送機連續(xù)穩(wěn)定工作。

在“863”催化劑制備粉料輸送中，應(yīng)用的是鏈條為U 形、箱體寬度為350 mm 的FU350 氣密型鏈式埋刮板輸送機，其性能參數(shù)見表2。

表2 FU350 型鏈式輸送機相關(guān)性能參數(shù)

1.2 FU350 型鏈式輸送機使用工況

FU350 型鏈式輸送機在“863”催化劑制備裝置中承擔著將球磨機、選粉機生產(chǎn)出的不合格催化劑粉料返回球磨機內(nèi)繼續(xù)加工。該物料由煤粉、水合氧化鐵和少量硫酸銨組成，呈弱堿性且易燃，最大粒度約1 mm，水分含量4%左右，溫度50～120 ℃，腐蝕性和磨琢性較弱。鏈條以0.21 m/s 的速度運行，全年連續(xù)運行約310 d。輸送機鏈條在密閉粉塵、有溫度、無潤滑的條件下運行，投產(chǎn)運行13 年，在此工況下出現(xiàn)轉(zhuǎn)動部件磨損、跳鏈、堵料等不良現(xiàn)象，造成搶修難度大、耗時長，影響裝置負荷。

2 原因分析

2.1 鏈式輸送機磨損狀況

FU350 型鏈式輸送機運行過程中，輸送系統(tǒng)零部件的磨損是制約其穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。

2.1.1 正常磨損

根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求，該鏈式輸送機整機壽命≥20 年，不包含易損件。有關(guān)技術(shù)說明介紹，用優(yōu)質(zhì)合金鋼經(jīng)先進的熱處理手段加工而成的輸送鏈，正常壽命超過5 年，輸送鏈的滾子壽命（不同物料）不低于2～3 年。該輸送機在此工況下易損件的失效情況基本正常。

輸送系統(tǒng)正常磨損狀況：L 形鏈鉤短臂底面、長臂側(cè)面出現(xiàn)輕微磨損；鏈板中內(nèi)鏈板底面靠近內(nèi)側(cè)的磨損較外側(cè)嚴重，外鏈板基本完好；滾子套中80%圓柱面磨損成為紡錘形，20%出現(xiàn)單側(cè)磨損，整體呈均勻磨損態(tài)勢；軌道、托輪、導向接觸面兩邊均出現(xiàn)不同程度的磨損；部分箱體底面、側(cè)面，鏈輪也存在局部磨損跡象。達到磨損壽命時限時該輸送機出現(xiàn)異響，出力減小、電流增大、振動增大，按計劃檢修更換失效零部件后即可恢復(fù)平穩(wěn)運行。

2.1.2 異常磨損

該輸送機的異常磨損與正常磨損部位一致，區(qū)別在磨損程度嚴重、磨損時間短、斷鏈突發(fā)性強、搶修難度大、影響裝置負荷大、經(jīng)濟損失大。

（1）輸送鏈銷軸、定位套筒、滾子套：滾子套約2/3 被磨掉，由圓柱變?yōu)閳A環(huán)（圖1a）；磨損由滾子套、定位套筒、銷軸表面逐層深入，全部發(fā)生在一端（圖1b））。定位套筒表面兩側(cè)同時磨損，一側(cè)重、另一側(cè)輕（圖2）。異常狀況下約50%的鉸鏈發(fā)生此類磨損。鉸鏈連接處的嚴重磨損致使鏈條強度降低、運行穩(wěn)定性變差、斷鏈風險增大。

（2）輸送鏈鏈板、鏈鉤：鏈板磨損與滾子套的磨損在同側(cè)，內(nèi)鏈板劇烈磨損使銷孔壁磨穿、出現(xiàn)雙面刃，外鏈板相對較輕（圖3）；L 形鏈鉤長短臂外側(cè)均磨損8 mm 左右（圖4）。鏈板、鏈鉤磨損將導致運行穩(wěn)定性差、磨損加劇、輸送效率降低。

（3）導軌、導向輪、鏈輪、托輪、箱體：導軌磨損機尾較機頭嚴重、上層較下層嚴重，導軌與滾子接觸面兩側(cè)邊深度磨損，棱邊磨成弧面、整個表面呈凸面狀，尾部上導軌磨出尖刃后斷裂一節(jié)。導向輪和托輪與滾子的接觸面兩邊磨出不規(guī)則倒角，局部出現(xiàn)缺口。箱體的損傷主要在底面，部分點有磨穿跡象。主動鏈輪與滾子接觸的表面具有類似磨損，各附件的磨損使鏈條穩(wěn)定性變得更差。

2.2 鏈式輸送機磨損原因分析

2.2.1 材質(zhì)分析

用NitonXL2 光譜儀對輸送機原裝鏈（A）、磨損鏈（B）、更換鏈（C）的鏈板、滾子、鏈鉤做材質(zhì)分析，結(jié)果見表3。三組滾子套中B組Fe 含量與C 組相差0.9%，Mn 含量比A 組高0.221%，起耐磨作用的Cr 含量較A 組低0.134%，鏈板與鏈鉤不參與滾動摩擦，F(xiàn)e、Mn 含量相差不大。通過對比分析滾子套材質(zhì)屬Cr 鋼組[4]，與原裝材料20Cr、40Cr 相比，磨損鏈的Cr 含量稍低，耐磨性稍差。

表3 鏈條零件主要金屬元素（質(zhì)量分數(shù)）%

2.2.2 磨損原因分析

（1）輸送鏈自身運動特性。滾子鏈運動相當于一條鏈繞在多邊形輪子上的運動，速度不均勻且產(chǎn)生動載荷是其固有特性，多邊形效應(yīng)引起鏈輪鏈條嚙合的沖擊，最大應(yīng)力發(fā)生在開始嚙合處，該處為鏈條和輪齒磨損最快區(qū)域。同時滾子套是整臺設(shè)備的主要易損件。這兩個天然因素直接影響該鏈式輸送機的平穩(wěn)性和運動精度。

輸送鏈主從動輪按順時針方向運動，下層為緊邊、上層為松邊。輸送鏈條緊邊受主動輪的拉力，滾子套與下導軌的接觸壓力較小，松邊受重力作用，滾子套下垂與上導軌的接觸壓力大，即松邊摩擦力大，磨損相對嚴重。靠近主動輪端在托輪支撐下上層鏈條的重心在后半段，輸送鏈運動到后半段時磨損加重。

（2）輸送鏈備件產(chǎn)生的影響。從材質(zhì)分析可知，滾子套與定位套材料間存在微小區(qū)別，其熱膨脹系數(shù)也有差別，在長期受熱料影響后產(chǎn)生不同的膨脹變形[6]，其相配合間隙發(fā)生變化，影響兩者的相對運動。同時備件保管不當，造成鏈條生銹，部分滾子套與銷軸定位套的間隙生銹粘接，安裝時處理不徹底，使得運行后增加了滾子套失效的風險。

（3）輸送鏈維保不到位的影響。在安裝維護時，頭輪、托輪、導向輪、箱體的裝配精度低，三輪的對中、與箱體的對中靠人工找參照物對比，相對誤差大，安裝后鏈條偏斜運行，磨損逐漸加劇。如果在維護時沒有系統(tǒng)性地更換內(nèi)部易損件，局部維修難以改善整體運行的不穩(wěn)定性，將會縮短失效時間。

（4）輸送鏈工作中存在的影響。鏈條頭輪、托輪、導向輪隨著工作時間的增加，配合精度下降。頭輪齒距磨損增大、接觸面變形，與鏈條嚙合精度降低；托輪、導向輪的接觸面同樣磨損變形。使?jié)L子鏈運動的多邊形效應(yīng)突顯，運行穩(wěn)定性更差。

輸送鏈滾子套與鏈輪齒嚙合，在導軌上做滾動摩擦運動。從滾子套的磨損痕跡可推斷滾子套在回轉(zhuǎn)過程中由滾動摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ?。滾動的圓柱表面產(chǎn)生一個或多個磨損平面會使?jié)L動摩擦完全失效。滾子套磨損嚴重后輸送鏈節(jié)距增加，輸送系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，引起張緊力不足且沒有得到及時調(diào)整，使鏈條落到導軌上爬行運行，將整個鏈條帶入惡性循環(huán)磨損狀態(tài)。

導軌與鏈板、鏈板與箱體、鏈鉤與箱體的相互磨損都是由于整個鏈條的惡性運行導致的。內(nèi)鏈板與導軌內(nèi)側(cè)接觸，而與外鏈板相對較遠，在回轉(zhuǎn)中鏈板磨損內(nèi)重外輕。導軌磨損后引起鏈板下邊與箱體接觸、鏈板的磨損進一步引起鏈鉤底側(cè)與箱體接觸，鏈條偏向一側(cè)運行引起鏈鉤側(cè)面與箱體接觸，通過觀察發(fā)現(xiàn)這些相對接觸磨損面有犁溝形磨痕，屬典型的磨粒磨損。

（5）工藝運行對輸送鏈的影響。裝置低負荷運行期間物料少，正常鏈式輸送機的輸送能力應(yīng)達到出力的65%，即7.8～13 t/h，而低負荷期間裝置投料28 t/h 左右，不合格料較少，達不到輸送機的穩(wěn)定出力。輸送鏈整體磨損后運行不穩(wěn)定，輸送能力下降，返回到球磨機的粉料減少，球磨機負荷減小，磨球相對磨損加大，產(chǎn)生大量鐵屑磨粒又將返回輸送機。因此，一方面由催化劑粗粉料、上游系統(tǒng)帶來的磨球鐵屑、磨損產(chǎn)生的金屬微粒等硬顆粒進入滾子套與定位套的間隙中[5]，限制了兩者之間的相對運動；另一方面過薄的料層導致輸送鏈在箱體內(nèi)部與其他部件接觸摩擦的概率增加，且硬質(zhì)顆粒的循環(huán)存在，這些都將引起輸送系統(tǒng)加速磨損。

2.3 結(jié)論

綜上分析可知，引起鏈式輸送機異常磨損是綜合因素的結(jié)果。其主要原因是輸送鏈滾子套生銹后安裝時處理不徹底、輸送環(huán)境惡劣、安裝精度差、維修不徹底，在這些因素的影響下將鏈式輸送機的運行帶入惡性循環(huán)中，直到異常磨損發(fā)生后故障停機。其次是易損件材質(zhì)不能滿足工藝要求。設(shè)備本身的特性、維護不到位等是次要原因。

3 解決思路

根據(jù)該鏈式輸送機異常磨損分析，結(jié)合多年運行經(jīng)驗，提出以下5 項措施，為輸送機優(yōu)化運行提供參考。

（1）制造加工過程中優(yōu)化選材。隨著技術(shù)的進步，耐磨性能更優(yōu)良的金屬材料在粉體設(shè)備中得到了更多應(yīng)用。該輸送鏈中鏈板可以選用BTW 鋼，這種熱軋奧氏體中錳鋼中C、Mn 及合金元素含量得到合理調(diào)整后奧氏體在常溫時的穩(wěn)定性減弱，在中、低載荷下通過變形可產(chǎn)生明顯的硬化效果使耐磨性增強[6]；定位套筒可選用27SiMn 合金鋼，其在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下具有較高的強度和耐磨性；滾子套可選用球磨鑄鐵QT400，球墨鑄鐵以鐵液中加入球化劑后形成的一種碳，它以球狀石墨的形式形核生長，并在凝固后組織中得到球狀石墨的高強度鑄鐵材料，其綜合性能接近于鋼，已用于鑄造一些受力復(fù)雜，強度、韌性、耐磨性要求較高的零件；銷軸可選用35MnB，其為中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，具有較高的塑性、較好的沖擊韌度、良好的淬透性，硬度高、耐磨性能優(yōu)良。

（2）備件要科學保管，為防銹、防氧化、防腐蝕做定期保養(yǎng)。完好的備件是設(shè)備維護的有力保障，庫存中異常備件在安裝時提前處理，保證運動部位靈活可靠，配合間隙符合技術(shù)要求。

（3）維修設(shè)備時要綜合評估系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)零部件狀況、成套更換易損件，提升鉗工裝配水平、借助先進儀器保障裝配的精度要求，最基礎(chǔ)的三輪一箱的中心線要重合，將誤差降到±4 mm 以內(nèi)。

（4）運行中重點關(guān)注設(shè)備內(nèi)部易損件檢查，及時調(diào)整輸送鏈的張緊程度。可在機尾絲杠上加裝糾偏彈簧，其利用彈簧的伸縮變形對鏈條的跑偏微調(diào)，結(jié)合絲杠的粗調(diào)可及時防止因鏈條變長產(chǎn)生的影響；也可在DCS 畫面上加鏈式輸送機的電流顯示，如果內(nèi)部有異常，電流曲線就會顯示其變化。

（5）當料層高度與機槽寬度的比值滿足一定條件時，運行中可保證粉料流動穩(wěn)定，減少空轉(zhuǎn)帶來的磨損，由以下公式可知該鏈式輸送機在該工況下高寬比滿足11/35～18/35，即通過調(diào)整上游入料量、風量、選粉機轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)此比值，達到最優(yōu)出力。

鏈式輸送機輸送量簡易計算公式[7]：Q=3600BHμηγk0，式中Q 是鏈式輸送機輸送量，12～20 t/h；B 是料槽有效寬度，0.35 m；H 是料槽有效深度，m；μ 是鏈速，0.21 m/s；η 是輸送效率，η=η0k0，η0為水平輸送效率，當B≤20 cm 時，η0=0.75～0.85，當B>20 cm時，η0=0.65～0.75，本文η0取0.7，k0為傾角系數(shù)，本文（傾角β 0～2.5°）取1.0，γ 是物料體積質(zhì)量，0.6 t/m3。

4 結(jié)語

FU350 鏈式輸送機在“863”催化劑制備應(yīng)用中遇到的磨損問題，需要根據(jù)實際情況進行分析解決，解決措施還需要在今后的運行中進一步檢驗。通過對輸送系統(tǒng)磨損分析及提出的解決思路，可以為FU 型鏈式輸送機在工業(yè)上的優(yōu)化應(yīng)用提供經(jīng)驗，使其不斷完善改進。