張智榮
(臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 臨汾 041000)
環(huán)錘式碎煤機是發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)中重要的輔機設(shè)備,它可以有效且經(jīng)濟(jì)地將原煤破碎至規(guī)定的粒度,以供鍋爐使用。電動機、液力偶合器、轉(zhuǎn)子軸承是碎煤機重要的配套設(shè)備,是碎煤機高效運行的保障。如何正確選用設(shè)計碎煤機的配套設(shè)備,是課題組探討的問題。
YKK系列三相異步電動機通過限矩型液力偶合器作為中間傳動機構(gòu),與碎煤機相連。采用全封閉、空-空冷卻YKK系列電動機,比普通Y系列電機防護(hù)等級更高、絕緣性能更好(一般Y系列電機只能達(dá)到IP44,而YKK系列電機可輕松達(dá)到IP54),更能適應(yīng)輸煤系統(tǒng)惡劣的工作環(huán)境[1]。
電動機的設(shè)計與環(huán)錘式碎煤機的運行條件和維護(hù)要求一致。電動機的特性曲線(特別是負(fù)載特性曲線)應(yīng)完全滿足環(huán)錘式碎煤機的要求。當(dāng)電動機運行在設(shè)計條件下時,電動機的銘牌出力不小于拖動設(shè)備的115%。電動機防護(hù)等級不低于IP54,具有F級及以上的絕緣,溫升不應(yīng)超過B級絕緣使用的溫升值。電機繞組應(yīng)經(jīng)真空浸漬處理(VPI)。電壓和頻率同時變化,二者變化分別不超過±5%和±1%時,電動機能帶額定功率;當(dāng)頻率為額定,且電源電壓與額定值的偏差不超過±5%時,電動機能輸出額定功率;當(dāng)電壓為額定,且電源頻率與額定值的偏差不超過±1%時,電動機亦能輸出額定功率[2]。在額定電壓下,電動機啟動電流倍數(shù)不大于6.0。
由于碎煤機的動力學(xué)特性以及碎煤機工作時碎煤料在機體破碎室內(nèi)的各種狀態(tài)不穩(wěn)定,對碎煤機破碎煤塊有影響的全部因素很難完全考慮,并且功率與給料塊度、排料粒度、煤質(zhì)狀況、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等諸多因素有關(guān),煤塊在碎煤機破碎腔內(nèi)的運動很復(fù)雜,所以難以準(zhǔn)確地計算碎煤機所需的功率[3]。為了求出環(huán)錘式碎煤機所耗功率,除計算其生產(chǎn)率時的假設(shè)外,課題組還假設(shè)煤的抗壓強度極限近似等于破壞應(yīng)力,而且作用于煤塊上的作用力、靜載荷或動載荷均相同。煤塊在破碎過程中與機內(nèi)零件的摩擦忽略不計(因為根據(jù)機內(nèi)構(gòu)造,克服此摩擦所需的能量與碎煤機所消耗的能量相比相差很大)。
1.2.1初定碎煤機所需功率
1)比功耗法。比功耗是破碎一噸煤所消耗的電能,即:
式中,N為功率,kW;Q為生產(chǎn)率,t/h。根據(jù)經(jīng)驗,環(huán)錘式碎煤機的比功耗一般為0.4~0.5,取K=0.4,則電機功率:
2)按碎煤機的經(jīng)驗公式計算:
式中,D為轉(zhuǎn)子直徑,m;L為轉(zhuǎn)子工作長度,m;Na為電機轉(zhuǎn)速,r/min;K為過載系數(shù),1.15~1.35,取經(jīng)驗系數(shù)為0.14,過載系數(shù)K=1.3,則電機功率:
上述兩種計算結(jié)果比較接近,暫取Nm=240 kW,由于采用了液力偶合器,它本身耗能4%,故選取電機功率為:
1.2.2核算電機起動功率
由于碎煤機轉(zhuǎn)動慣量(飛輪矩)GD2很大,當(dāng)碎煤機的結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后,又選定了電動機和液力偶合器,即可在傳動設(shè)計計算中校核電機的起動功率[4]。
1)轉(zhuǎn)子靜態(tài)力矩Ma計算。
轉(zhuǎn)子靜態(tài)力矩等于轉(zhuǎn)子自重在兩軸承中產(chǎn)生的摩擦力矩,于是:
式中,R為兩軸承的徑向負(fù)荷,即為轉(zhuǎn)子重量,kgf;r為軸承內(nèi)半徑,m;f為摩擦系數(shù),對于雙列向心球面滾子軸承,f=0.001 8~0.002 5。
2)轉(zhuǎn)子的動態(tài)力矩Mb計算。
機器轉(zhuǎn)動部分折算到電機軸上的飛輪矩GD2為:
式中,GDa2為碎煤機轉(zhuǎn)子的飛輪矩,kgf·m2;GDb2為限矩型液力偶合器的飛輪矩,kgf·m2;na為電動機轉(zhuǎn)速,r/min。
YOX750型偶合器的轉(zhuǎn)動慣量為:
則飛輪矩為:
轉(zhuǎn)子的動態(tài)力矩Mb按下列公式計算:
式中,t為電機起動時間,5 s~30 s。
3)電機軸上的起動轉(zhuǎn)矩M:
4)所需電機的起動功率Nm″:
式中,ηa為電動機的效率。因為設(shè)計選定的電機功率Nm′=250 kW,所以Nm″<Nm′,因此,電動機有足夠的起動功率。電動機參數(shù)具體如表1所示。
表1 電動機參數(shù)
采用低轉(zhuǎn)速、大功率限矩型液力偶合器傳動,既可保護(hù)電機,又可減小起動電流,還可隔離扭振,增強運行的平穩(wěn)性。特別是加裝溫升報警裝置后,當(dāng)阻力達(dá)到悶車值時,先發(fā)出報警信號,并輸入監(jiān)控盤,經(jīng)處理放大、聲光報警的同時向集控或程控輸出跳閘信號,進(jìn)而斷電跳閘,既保護(hù)了電機,又克服了液力偶合器以往靠噴油保護(hù)電機的缺陷[5-6]。
YOX限矩型液力偶合器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其主動部分包括主動聯(lián)軸節(jié)1、彈性塊2、從動聯(lián)軸節(jié)3、后輔腔6、泵輪8、外殼9等,從動部分包括主軸13、渦輪10等。主動部分與電動機連接,從動部分與碎煤機連接。該偶合器為動壓泄壓式單腔外輪的限矩型液力偶合器。
圖1 限矩型液力偶合器結(jié)構(gòu)
偶合器的泵輪和滑輪具有徑直葉輪片,型腔內(nèi)充有液體。兩輪之間為柔性連接。當(dāng)泵輪隨電機旋轉(zhuǎn)時,在離心力作用下,迫使工作油沿徑向葉片間隙向型腔外緣流道流動,而獲得動能,又高速高壓沖擊滑輪葉片,轉(zhuǎn)換為機械能,帶動碎煤機旋轉(zhuǎn),在偶合器型腔內(nèi)形成液流的循環(huán)圓,靠近上部為小循環(huán),靠近外部為大循環(huán)。泵輪為離心式葉輪,滑輪為向心式葉輪[7]。
動壓泄壓式偶合器具有前輔腔和后輔腔,在額定工況時,循環(huán)圓中的液體較多,作小循環(huán)運動。當(dāng)外載荷增加時,泵輪與滑輪轉(zhuǎn)差率加大,液流作大循環(huán)流動。滑輪的液流在動壓作用下,較快地流進(jìn)前輔腔,并進(jìn)入后輔腔。而循環(huán)圓中的液體減少,使扭矩限制在一定范圍內(nèi),所以補助腔是用來自動調(diào)節(jié)循環(huán)圓中的充液量的,以達(dá)到限制扭矩的目的。
2.2.1匹配原則
1)應(yīng)使液力偶合器的設(shè)計工況與電動機的額定工況點相重合,以保證傳動系統(tǒng)的高效率。
2)應(yīng)使偶合器i=0的輸入特性曲線交于電機尖峰力矩右側(cè)的穩(wěn)定工況區(qū)段,以此保證電機運行的穩(wěn)定性。
3)使碎煤機、偶合器、電動機的額定功率依次遞增5%左右,保證動力充足。
4)使偶合器的起動過載系數(shù)小于電機的力矩過載系數(shù),確保限矩性能。
2.2.2選型計算
由于缺少電動機和偶合器的第一手特性曲線資料,尚難進(jìn)行細(xì)致的匹配計算和繪圖,為此基本遵循匹配原則,通過計算選型匹配液力偶合器[8]。
1)輸入功率和轉(zhuǎn)速:偶合器泵輪的功率、扭矩、轉(zhuǎn)速與電機的功率、扭矩和轉(zhuǎn)速相同。即NB=250 kW,TB=246.71 kgf·m,nb=987 r/min。其中,NB為偶合器泵輪的功率;TB為偶合器泵輪的扭矩;nb為偶合器泵輪的轉(zhuǎn)速。
2)額定轉(zhuǎn)速比和效率:為保證額定工況點的高效率,一般取偶合器的額定轉(zhuǎn)速比in≥0.95~0.985(其轉(zhuǎn)速比i=nT/nb,nT為滑輪轉(zhuǎn)速,nb為泵輪轉(zhuǎn)速)。查資料圖,充油率qc=70%的有后輔腔液力偶合器原始特性曲線,得:當(dāng)in=0.96時,泵輪的扭矩系數(shù)λn=1.45×10-6min2/m·r2。它標(biāo)志著該元件傳遞扭矩的能力。
當(dāng)不計摩擦損失時,限矩型偶合器的機械效率等于轉(zhuǎn)速比,即:
3)確保限矩性能:當(dāng)限矩型液力偶合器與籠型電動機匹配時,為了確保偶合器的限矩性能,偶合器的最大過載系數(shù)應(yīng)滿足下式要求:
式中,Tgmax為偶合器的最大過載系數(shù);λmax為偶合器的最大扭矩系數(shù);λn為額定工況下的扭矩系數(shù);K為電動機的最大過載系數(shù);nan為電動機在額定轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速;namax為電動機在最大扭矩時的轉(zhuǎn)速。
YKK400-6籠型異步電動機的參數(shù)為:K=3.07,na=987 r/min,TH=2 476.71 kgf·m,Tmax=510.7 kgf·m。
在臨界扭矩點(Tmax)時,轉(zhuǎn)速下降10%~12%,則:
由偶合器充油率qc=70%的起動加速原始特性曲線得:當(dāng)轉(zhuǎn)速比I=0.91時,最大扭矩系數(shù)λmax=2.3×106。
1.586<2.56,符合上式要求。即在臨界扭矩點,該偶合器的最大過載系數(shù)小于電機的最大過載能力,保證偶合器具有限矩性能。
4)偶合器工作腔的有效直徑:
式中,γ為20#透平油的重度,γ=830 kg/m3,其他參數(shù)見上文。
按偶合器的有效直徑優(yōu)先數(shù)圓整(GB/T 5837—2008《液力偶合器 型式和基本參數(shù)》),Ds=750 mm,選定YOX750限矩型液力偶合器。其主要技術(shù)參數(shù)如下。
輸入轉(zhuǎn)速:nB=1 000 r/min(同步轉(zhuǎn)速);傳遞功率范圍:170 kW~330 kW;過載系數(shù):Tg=2~2.5;效率:η=0.96;外形尺寸:D×A=φ860 mm×570 mm;充油量:Qmin=34 L,Qmax=68 L。
5)校核起動過載能力:由參考資料可查得,當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速nT=0,轉(zhuǎn)速比I=0的零工況下,起動扭矩系數(shù)λQ=1.75×10-6min2/m·r2,則偶合器的起動過載系數(shù):
而YKK400-6電動機的起動過載系數(shù)K起=1.2,所以TgQ=K起,故該偶合器對電動機的起動過載能力是適宜的。
限矩型液力偶合器參數(shù)具體如表2所示。
表2 限矩型液力偶合器參數(shù)
2.3.1工作油的品質(zhì)
偶合器的工作油,應(yīng)具有較低的黏度及較大的重度,高閃點,低凝點,耐老化,腐蝕性小。綜合考慮工作油的品質(zhì)如下。
運動粘度:υ=32 mm2/s;重度:γ=0.83 g/cm3~0.86 g/cm3;閃點:>180 ℃;凝點:<-10 ℃。推薦采用32#或46#透平油。
2.3.2充油量
偶合器型腔內(nèi)充液量的多少用充液率表示,充液率公式:
式中,Q0為循環(huán)圓全充滿時的充液量;Q為循環(huán)圓實際充液量。通過計算,最大充油量為:
32#透平油的重度γ=0.83 kg/dm3=0.83 kg/L,故又Q=0.83×52.893=43.901 kg,即該偶合器的充油量不能超過44 kg。
2.3.3易熔塞及油溫報警裝置
當(dāng)碎煤機過載時,偶合器渦輪停轉(zhuǎn),泵輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn),電機的機械能全部轉(zhuǎn)換成熱能,工作油的溫度急劇上升,當(dāng)接近134 ℃,易熔塞的低熔點合金熔化(熔點為130 ℃~138 ℃),離心力作用下徑向噴油而切斷傳動[9]。
1)估測軸承的計算壽命。根據(jù)運行經(jīng)驗,一般碎煤機為三班制工作。每天平均運行10 h左右,每月工作27天,除大修及停機外,每年凈運行10個月,則碎煤機每年實際運行時數(shù)為[10]:10×27×10=2 700h??紤]運行2年進(jìn)行更換,故軸承的計算壽命:
2)計算額定功負(fù)荷,選擇軸承型號,且校驗額定靜負(fù)荷。由計算壽命Lh=5 400 h,查機械設(shè)計手冊,得壽命系數(shù)fh=2.04;由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=950.4 r/min。查機械設(shè)計手冊,并且用反比例中插法計算速度系數(shù):
由軸承中等沖擊負(fù)荷,查機械設(shè)計手冊,得負(fù)荷系數(shù)fF=1.5;由軸承的工作溫度小于100 ℃,查機械設(shè)計手冊,得溫度系數(shù)fT=1。因軸承僅承受純徑向載荷,故當(dāng)量動負(fù)荷為:
因此,軸承的額定動負(fù)荷為:
按C=CA=91 173 kgf,查機械設(shè)計手冊,得22330CC/C3W33軸承能滿足使用要求,即選定該型號軸承。
3)軸承的實際預(yù)期壽命。軸承22330CC/C3W33的參數(shù):與實際接觸角β有關(guān)的參數(shù)e=0.36。據(jù)此,該接觸角為:
當(dāng)Fa/Fr≤e時,徑向系數(shù)X=1,軸向系數(shù)Y=1.9。因為軸向載荷Fa=0,所以Fa/Fr=0/10 905=0<e。因此:
故左、右兩軸承的實際預(yù)期壽命為:
式中,ε為壽命指數(shù),對于滾子軸承,ε=10/3。
由GB/T 307.3—2017《滾動軸承 通用技術(shù)規(guī)則》可知,G級精度22330CC/C3W33雙列向心球面滾子軸承的內(nèi)徑和外徑的制造公差及其檢驗的平均尺寸和允許誤差,又根據(jù)碎煤機的軸與內(nèi)圈、軸承座與外圈的配合[11]進(jìn)行計算。
3.2.1內(nèi)圈與軸
1)由軸承檢驗的平均內(nèi)徑和公差計算。
內(nèi)圈與軸平均過盈:
內(nèi)圈與軸配合公差:
2)由軸承內(nèi)圈的制造公差計算。
內(nèi)圈與軸平均過盈:
內(nèi)圈與軸配合公差:
3.2.2外圈與軸承座
1)由軸承檢驗的平均外徑和公差計算。
外圈與軸承座平均過盈:
外圈與軸承座平均間隙:
外圈與軸承座配合公差:
2)由軸承外圈的制造公差計算。
外圈與軸承座平均過盈:
外圈與軸承座平均間隙:
外圈與軸承座配合公差:
由此可知,基本組G級精度22330CC/C3W33軸承的名義過盈量,即內(nèi)圈:Y=0.09 mm,外圈Y=0.02 mm。
即換油時間大致為每8個月?lián)Q一次。
課題組以HCSC6碎煤機為例,采用理論計算及類比經(jīng)驗法,給出了配套電機、液力偶合器、轉(zhuǎn)子軸承的選型設(shè)計方法,為碎煤機的高效運行提供保障。