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电站磨煤机齿轮磨损防护技术应用研究

时间:2013-06-06 13:57:38  来源:沈阳工程学院学报( 自然科学版)  作者:王树群,朱子光,孟广波,刘文林

  摘 要: 分析了火电厂筒式钢球磨煤机传动齿轮磨损的机理,介绍了堆焊、热喷涂和润滑处理 3 种磨损防护方法,结合火电厂的实际应用,根据磨损程度的不同,提出端面换向法、等离子喷涂法、堆焊修复法与高级重负荷工业齿轮润滑油润滑处理配合应用,可较好地解决煤机齿轮磨损问题.
  关键词: 磨煤机; 齿轮磨损; 堆焊; 润滑; 热喷涂
  
  磨煤机是火力发电厂的重要辅机设备,其运行的可靠性直接影响着发电量的稳定性. 山西河曲电厂筒式钢球磨煤机大小传动齿轮磨损、齿面鼓包变形非常严重; 邹县发电厂 5#、6#锅炉筒式钢球磨煤机小齿轮表面鼓包、点蚀现象,严重影响锅炉的安全稳定运行,5#E 磨煤机小牙轮出现 5 个断齿,断齿部位在非驱动侧端,最大断齿长约 200 mm,5#F 磨煤机小牙轮中间部位出现了 1 个断齿[1]; 西柏坡发电有限责任公司筒式钢球磨煤机、DTM350/700 型磨煤机发生了磨损、剥落、裂纹现象[2]. 球磨机传动齿轮磨损已经成为一种较为普遍的问题,严重影响了锅炉的正常运行,需要采取有效的措施进行解决.
  1 磨煤机齿轮磨损分析
  金属磨损是由于接触面之间的相互机械作用造成金属表面不断损失或破坏的现象. 磨损是一个复杂的微观破坏过程,它是金属材料本身、与金属相互作用的材料和工作环境综合作用的结果,在较为恶劣的工作环境下,这种磨损会加剧.
  1. 1 磨损的基本形式
  常见的磨损分类方法是按机理来分类,一般可分为: 粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、微动磨损、冲击磨损. 不同的磨损形式的机理虽然各不相同,但实际工况下材料的磨损,通常不只是一种机理在起作用,而是几种机理同时存在的复合型磨损.
  1. 2 磨煤机齿轮磨损的机理
  常用的 45#齿轮钢在进行了摩擦磨损实验后发现,摩擦表面之间的微凸体在 2 个面相对滑动时就相当于磨粒,对摩擦表面的作用力可分为法向力和切向力,法向力使磨粒压入表面,切向力使磨粒沿切向推进,综合作用的结果就是在摩擦表面形成犁沟,造成磨粒磨损[3]. 在压力的作用下,摩擦面的实际接触面积增大,摩擦面的温度迅速升高使得表层金属软化,发生塑性流动,接触点发生粘合,同时摩擦副表面彼此连续不断的滑动,引起接触点的剪切和新的接触点形成,因而导致粘合、撕脱、再粘合、再撕脱的循环过程,造成较为严重的粘着磨损.
  筒式钢球磨煤机大小齿轮属软齿面设计,具有转动平稳、重合度较大和低转速下承载能力较强的优点,但承受较大载荷会使局部塑性变形加大,使齿面失去正确的齿形,随着低速和过载、频繁启动,这种损坏会伴随发生. 同时,在低速重载传动中,也容易因啮合区域温度升高而引起润滑失效,润滑油膜不易形成,致使齿面金属直接接触并相互粘连形成粘着磨损. 在工作时,产生的煤粉颗粒和硬质颗粒较多,这些微粒易进入齿轮啮合面,从而引起磨粒性磨损. 齿面接触区经过长期的周期载荷作用,在润滑不良的情况下,摩擦力作用、点蚀作用和极小的疲劳裂纹,也会导致齿面的疲劳磨损破坏.
  综上分析,磨煤机传动齿轮磨损问题所涉及的磨损方式主要是粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损综合形成的摩擦磨损.
  1. 3 磨煤机齿轮磨损处理措施
  磨煤机传动齿轮因其负载重、受力状况复杂、工作环境恶劣,需要采取较为合理的措施来解决磨损问题.结合火电厂球磨机实际工作条件,常用的磨损防护措施有端面换向法、堆焊修复和改善润滑,热喷涂作为一种应用广泛的表面处理工艺,在未来的齿轮修复中会越来越多地被应用. 端面换向法是将已磨损的齿轮变换方位,利用齿轮未磨损或磨损较轻的部位继续工作,适用于单向运转受力造成轮齿单面磨损的齿轮传动机构的修复. 磨煤机小齿轮结构对称,齿轮单向受力运转,齿轮磨损为单面磨损,可使用端面换向法直接将齿轮翻转 180°重新安装使用. 端面换向法应用工艺较简单,故重点论述堆焊、热喷涂和润滑 3 种方法.
  2 磨损面堆焊技术分析与应用
  2. 1 堆焊的基本原理及应用
  堆焊是在零件的表面堆焊一层或数层具有一定性能材料的工艺过程. 堆焊不仅可以修复旧的金属零件,而且可以在金属工件表面形成复合层,使其具有特殊的性能,从而达到延长工件使用奉命、降低成本和改进工件设计的效果. 据统计,用于修复旧零件的堆焊合金量占堆焊合金总量的 72. 2%. 例如,堆焊旧轧辊的费用仅是新轧辊的 30% 左右,而使用寿命却比新轧辊高. 因此,广泛采用堆焊工艺修复旧零件,对节约材料、节省资金、弥补配件短缺、缩短制造周期等具有重要的意义.
  在齿轮少数轮齿崩坏,齿端、齿面磨损,或存在严重齿面表层剥落等情况下使用堆焊修复,已经在工业领域有了较多的应用. 例如,湘潭电厂 2#炉 4#磨煤机运行期间大齿轮 1 个齿突然崩断,部分小齿轮也有多处齿断裂. 经分析认为是小齿轮材质不符合设计要求,先期断裂崩齿后,由于与大齿轮啮合不好,从而导致大齿轮崩齿. 将小齿轮更换,而大齿轮由于没有备件,只能采用堆焊进行修复. 经过对化学成分和力学性能进行分析,考虑大齿轮运转时需承受较大强度的载荷,选用 J857 焊条进行焊接. J857 是低氢钠型低合金高强钢焊条,有一定的脱硫能力,熔敷金属塑性和韧性良好.
  堆焊修复后的齿轮,经最终检验无缺陷后很快投入使用,避免了较大的经济损失[4].伊化集团远兴公司吉碱分公司自备电厂 MG-250 /390 筒式钢球磨煤机齿轮在运行中发生了磨损、牙齿损坏、牙齿表面淬火层被磨掉,由于磨煤机的大齿轮直径 3 m,加工工艺较为复杂,精度较高,制造费用高,更换新齿轮价格昂贵,采取了堆焊修复方法,短时间内顺利投入生产使用,既保证了正常生产,又节省了费用.
  为保证堆焊效果,堆焊时必须根据不同要求,选用合适的焊条和堆焊工艺,制定合理的技术方案. 齿轮钢的热敏感性相当高,堆焊时应特别注意防止变形、裂纹、硬度不符等问题,才能保证堆焊质量.
  2. 2 堆焊质量控制
  1) 选择材质合理的堆焊焊条. 堆焊焊条应与母材材质相匹配或略高于母材,并含有适量的 Cr、Mo、V、W 等合金元素. 以45#齿轮钢对比复合强化型H08 焊条,合金元素含量见表1. 虽然 H08 的硬度仅为 HRC50 左右,与45#齿轮钢 HRC40 ~45 的硬度接近,但是由于合金元素的加入,使堆焊层耐磨性提高了1 倍[5]。
  2) 选择合理的焊接工艺. 大型齿轮堆焊修复采用手工堆焊,堆焊前采用焊具或焊上临时支撑材料以提高零件的刚度,焊工人数为偶数,使用对称焊法及跳焊法焊接以减小变形.
  3) 控制焊接层数,防止出现裂纹及剥离. 在实际操作过程中,采取堆焊过渡层法,先用塑性好、强度不同的普通交直流焊条或不锈钢焊条进行打底焊接,起到将堆焊层与母材隔离的作用,同时减小堆焊时的焊接应力.
  4) 防止堆焊层硬度不符合要求. 堆焊层硬度主要取决于堆焊焊条的合金成分和焊后热处理,堆焊过程中要尽量降低稀释率和减少合金元素的烧损,常采用小电流、短弧堆焊,同时做好焊前表面处理和焊后热处理. 例如对于 40Cr 钢齿轮,应加热到 800℃,并在温水中淬火,以 300℃回火; 对于渗碳齿轮应在 900℃渗碳、保温 10 ~12 h,随炉冷却,然后加热到 820 ~840℃,在水中或油中淬火,并进行 180 ~200℃回火.
  3 磨损面热喷涂防磨技术分析与应用
  目前应用于电站锅炉领域的热喷涂方法主要有电弧喷涂、等离子喷涂和超音速火焰喷涂等. 电弧喷涂是将 2 根被喷涂的金属丝作为自耗性电极,利用其端部产生的电弧作热源来熔化金属丝料,用压缩空气流进行雾化. 等离子喷涂是在等离子喷枪中,利用阴极和阳极喷嘴之间气体介质,产生持续而强烈的电离电弧,该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体,在机械压缩效应、气膜的热压缩效应以及电弧电流产生的指向弧柱中心的磁场力的自弧压缩效应的作用下,形成温度达几万℃的非转移型等离子弧,送粉气体将喷涂粉末送入等离子火焰中熔化、加速并喷射到基材表面形成涂层,可喷涂几乎所有高熔点和高硬度材料.
  热喷涂技术大都应用在锅炉受热面防磨、风机叶片防磨等方面,在齿轮磨损修复方面应用较少. 只有在上世纪 80 年代,浙江湖州水泥厂曾经使用热喷涂技术修复负载较小的球磨机大齿轮,涂层硬度达到了HRC30,经 7 869 h 运行,磨损量仅 0. 3 mm,取得了良好的效果[6]. 在负载较大的电站磨煤机齿轮防磨方面,由于磨煤机的负载量大,对齿轮表面性能要求较高,普通的电弧喷涂存在着结合强度低、涂层组织性能不稳定等问题,超音速火焰喷涂也存在着适宜喷涂的材料较少、喷涂覆盖速度不够高、沉积效率较低等自身难以克服的缺陷,不能满足重载齿轮工作要求. 而等离子喷涂的弧柱中心高达 15 000 ~33 000 K 的温度,喷流速度达 180 ~480 m/s,能量集中,具有工艺稳定、涂层组织细密、氧化物夹渣含量和气孔率低、涂层结合强度较高等优点,在各类喷涂方法中倍受重视,在齿轮修复领域也有较多的应用. 资料显示,在汽车齿轮磨损防护中,等离子喷涂也得到了较多的应用[7]. 随着超音速等离子喷涂、液料等离子喷涂等新工艺的应用及新材料的开发,未来的应用也会越来越多.
  4 齿轮润滑及防磨工艺分析应用
  4. 1 齿轮润滑原理及作用
  润滑剂被认为是使用最多,也是抵御摩擦磨损最有效的途径之一. 润滑的目的,是在机械设备摩擦副相对运动的表面间,加入润滑剂以降低摩擦阻力和能量消耗,减少表面磨损,延长使用寿命,保证设备正常运转. 在磨煤机齿轮润滑中普遍使用润滑油作为润滑剂,其作用有以下几个方面:
  1) 降低摩擦. 如果 2 齿面被润滑油膜隔开,则避免了金属与金属的直接接触,把干摩擦变成了流体摩擦. 或者由于在齿面上形成物理、化学吸附膜或化学反应膜,减少摩擦,避免齿轮点蚀和粘合现象的发生.
  2) 减少磨损. 在齿面间形成的润滑油膜,可降低摩擦并支承载荷,因此可以减少齿面磨损及划伤,保持齿轮 2 齿面的正常啮合.
  3) 散热. 润滑油可以把啮合齿面间产生的热量带走,避免温度过高引起粘合等齿面损伤的发生.
  4) 防锈. 润滑油覆盖了齿轮和其他零件表面,起到了隔绝空气、水蒸汽及腐蚀性气体的作用,避免了齿轮的氧化锈蚀.
  5) 降低振动冲击和噪声. 由于润滑油的粘滞性,能起到降低齿轮振动、冲击和噪声的作用.
  6) 排除污物. 润滑油能冲刷齿面上的磨粒和杂质,带走油池或润滑系统中的污物,保证齿面的清洁,减少磨损.
  4. 2 磨煤机齿轮润滑油应具备的主要特点
  磨煤机的齿轮是大型齿轮,工作负荷较大,普通的齿轮油及润滑方式不能满足润滑的要求,必须采用特制的齿轮润滑油. 磨煤机齿轮常用的重负荷齿轮高级润滑油应具备如下特点: ①粘附力强,具有良好的粘附性,不易甩落和损耗; ②具有高的抗磨损和抗极压性能,FZG 级别≮12,球烧结负荷≮650 kg; ③具备一定的油膜强度,能减弱冲击负荷对齿的影响; ④含有一定比例的固体添加剂和 EP( 极压) 添加剂,以满足边界润滑和紧急润滑要求; ⑤良好的喷射性,合理的喷射系统和流动性能; ⑥工作温度范围宽,无论在冬夏都能适应; ⑦油品的物理、化学稳定性好,寿命长、损耗小、不易变质,同时具有良好的抗热氧化稳定性; ⑧对外部环境( 如粉尘、水等) 的影响有一定程度的抗阻能力; ⑨便于操作使用及维护; ⑩对环境和操作人员没有危害.
  4. 3 磨煤机齿轮润滑防磨损应用
  良好的润滑处理可以较好地防止齿轮的磨损,山西河曲电厂 1#、2#炉大小修期间,针对磨煤机大小齿轮磨损、齿面鼓包变型采取了打磨齿面、延长喷油时间( 由每 20 min 喷 10 s 改为每 20 min 喷 20 s) 、磨损严重的小齿轮进行翻身换向、更换高黏度喷射油等措施.检修后在 2#炉磨煤机上使用 DR/CG501 高级重负荷工业齿轮润滑油,在 1#炉磨煤机上使用普通重负荷工业齿轮油做对比试验.
  1#炉小修 2 个月后观察,磨煤机齿轮在增大喷油量后齿轮状况有所改观,但油膜较薄,齿顶边缘发现有磨下的铁屑,齿面大部分发生塑性变形,个别齿轮仍产生了点蚀和黏附性磨损. 2#炉磨煤机经过 3 个月运转,发现使用重负荷齿轮润滑剂后的齿表面油膜较厚,齿面比较光洁,噪声也小,润滑性良好,齿面也未发现不良磨损痕迹. 表 2 为 1#炉 B 磨和 2#炉 B 磨的齿轮断面温度测量数值对比.
  从表中数据看出,2#炉磨煤机的轮齿温度比 1#炉磨煤机的轮齿温度平均下降了10 ℃左右,相对较低的工作温度可使齿面润滑形成良性循环,对齿轮的磨损防护非常有利. 经对比试验发现,DR/CG501 高级重负荷工业齿轮润滑油可以使大小齿轮处于良好的润滑状态,而普通重负荷工业齿轮油不能保证齿轮的润滑要求.
  5 结束语
  重负荷下的筒式钢球磨煤机传动齿轮磨损,根据实际磨损的情况,可以采用端面换向法、堆焊修复、热喷涂处理和改善润滑的方法解决齿轮磨损问题.对于磨煤机小齿轮的磨损,条件允许时,可使用端面换向法进行处理; 变形轻微或不太严重的损伤,可将其塑性变形凸起部分予以挫刮修整; 如果轮齿材料过软,可以选取合适的喷涂材料,使用等离子喷涂对表面进行强化处理; 对于齿轮磨损严重和发生严重点蚀或剥落时,可选择与母材材质相匹配或略高于母材的堆焊材料,保证适量的 Cr、Mo、V、W 等合金元素含量,选择合理的堆焊工艺,保证焊前表面处理和焊后热处理条件,使用堆焊法进行修复.
  修复后的齿轮,使用抗磨损性能较好的高级重负荷工业齿轮润滑油进行喷淋润滑,并给予足够的油量,保证磨煤机传动齿轮的润滑条件满足工作要求,将可以较好地处理磨煤机齿轮磨损问题.
  参考文献略

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