賁道春

（江蘇鵬（péng）飛集團股份有限公（gōng）司）

輪（lún）帶擋圈是用於限製輪帶在墊板上（shàng）位置的零件。20世紀限製輪帶位置一直使用擋塊結構，直到21世紀初，為了增加擋塊與輪帶的接觸麵積，減少磨損，部分設計開始采用間斷式擋環（每段擋環弧長1m左右）。擋（dǎng）塊或擋（dǎng）環（huán）是多塊或多段（duàn）結構，不存在斷裂問題，隻（zhī）因接（jiē）觸麵積大小而存在（zài）磨損快慢問題。為了追求擋環與輪帶接觸麵積Z大（dà）化和磨損Z小化，近幾年有些設計采用整體擋圈代替擋環。

但是整體擋圈在使用過程中可能會出現斷裂現象，例如某線回轉窯在剛剛投產正常運轉過程中，某檔輪帶整體式擋圈在（zài）非焊接位置突然斷裂，雖然現場進行（háng）了焊接處理，但對是否還（hái）存在斷裂隱患存在顧慮。

擋圈內徑（或擋圈與（yǔ）墊板之間的熱（rè）膨脹間隙）控製不當，容易導致使用過（guò）程中斷裂。分析整體式擋圈斷裂（liè）問（wèn）題出（chū）現的真正原因，有利於為其設計、製（zhì）造、安裝提（tí）供依據和幫助，避免在（zài）投產初期或熱工不穩定時出（chū）現擋圈斷裂影（yǐng）響運行的問（wèn）題。

1　原（yuán）因分析

1.1　斷裂機理

整體擋圈為（wéi）圓環結構，在製造廠加工成整體。為了（le）方（fāng）便運輸，製造廠將其分割成兩半或多片，現場安裝時（shí）再編焊成整體。整體擋圈斷裂的現場狀況如圖1所示。斷裂位置是非焊接位置，說明擋（dǎng）圈焊接質（zhì）量不存在問題。能夠導致擋圈斷裂的原因隻可能是在運行（háng）中擋環截麵產生了巨大的拉伸應力。

圖1　整體擋圈斷裂照片

如果擋圈與墊板之間沒有預留（liú）熱態膨脹間隙，筒體和墊（diàn）板的徑向膨脹力就會轉化為擋圈環向截麵拉伸應力。當擋圈環向截麵拉應力超過材料許用拉伸應力時（shí），將發生塑性變形或斷裂。由於擋圈（quān）截（jié）麵積較小，擋（dǎng）圈不能承受（shòu）筒體和墊板的徑向膨脹力時導致擋圈斷裂。擋（dǎng）圈斷裂後（hòu），擋圈（quān）的拉伸內應（yīng）力得到釋放，將不再產生第二處斷裂。這就意味著整體擋圈設計和安裝時預（yù）留（liú）一個開口很有必要。

1.2　設計（jì）分析

設計數據舉例（lì）：擋圈內徑Φ5 270 mm（未注公差）；輪帶內徑Φ526 6^+1.0 0mm，即Z大極限尺寸Φ5 267 mm。擋圈內徑Φ5 270 mm，設計未注公差，按照GB/T 32994—2016《水泥工業用回轉窯》標準規定的“圖樣上機械加工麵的未（wèi）注（zhù）公差值的（de）極限偏差應符合GB/T 1804—2000中m級的規定[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]標準隻規定了4 000 mm以下尺寸的未注公差，對於大於（yú）4 000 mm的尺寸（如該例的尺寸Φ5 270 mm）未注公差無法（fǎ）執（zhí）行GB/T 1804—2000標準。因此擋圈重要內徑（jìng）尺寸Φ5 270 mm的Z小極限尺寸因為未（wèi）注（zhù）公（gōng）差而無法確定和控製，成（chéng）為該例的設計（jì）缺陷。

輪帶與墊板之間的間隙設計已經（jīng）考慮預留熱態安全間隙。從理論上分析，隻要擋圈內徑Z小極限尺寸不小於輪帶（dài）內徑Z大極限尺寸，就能說明（míng）設計是合（hé）理的。該例擋圈的實際安裝內（nèi）徑隻要小於輪帶內徑Z大極限尺寸，就有可能存在擋圈斷裂（liè）的風險。

1.3　安裝問（wèn）題分析

假定因未注公差將擋圈內徑Φ5 270 mm加工成Φ5 267 mm（亦稱擋圈內周長為5 267π mm）或更小，輪帶內徑為合格尺寸Φ5 267 mm（亦稱輪（lún）帶內周長為5 267π mm），則擋圈現（xiàn）場編焊效果為擋圈內徑等於或小於（yú）輪（lún）帶內徑（亦（yì）稱擋（dǎng）圈內（nèi）周長等於或小於輪帶內周長）。由於上述（shù）原（yuán）因導致輪帶與墊板熱態間隙為0或過盈，說明設計製造未（wèi）能保證（zhèng）擋圈與墊板之間能夠存在一定的熱態（tài）間隙，擋圈斷（duàn）裂危險將隨時發生。

隻有當擋圈現場編焊時擋圈內徑大於輪帶內徑（亦稱擋圈內周長大於輪（lún）帶內周（zhōu）長）時，才能保證擋（dǎng）圈與墊板之間熱態時存在間（jiān）隙，不存在斷裂的（de）隱患。

1.4　類似問題對比

回轉窯類（lèi）似膨脹或收縮導致零部件損壞問題還（hái）有輪帶與墊板之間的（de）間隙、托輪和（hé）托輪軸的配（pèi）合。

輪帶截麵較大，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部的耐火內襯（chèn）（亦稱縮頸）。擋圈的截麵較小，剛度（dù）和強度遠小於筒體。擋圈（quān）對筒體徑向（xiàng）膨脹力的反作用力不但不產生損壞筒（tǒng）體和筒體內部耐火（huǒ）內襯的後果，反而擋圈本身被筒體徑向膨（péng）脹力損壞，導致斷裂（liè）（亦稱崩圈）。

托輪和托輪軸配（pèi）合過盈量過（guò）大（或（huò）由於軸孔的圓柱度超標原因產生裝配後局部（bù）過盈過大）會導（dǎo）致與擋圈同樣的（de）斷裂後果，其斷裂未必是托輪（lún）或擋圈（quān）存在缺陷或製造質量問題，較大收縮（suō）應力的存在可（kě）能會導致托輪隨時隨地發生斷裂。

2　預防措施

2.1　膨脹間隙

以（yǐ）輪帶內徑的Z大極限尺寸為（wéi）擋（dǎng）圈內徑Z小尺寸的基準，留足膨脹間隙（xì）是（shì）擋圈的（de）設計原則。設計時（shí）標注擋圈內徑（jìng）公差，明確Z小（xiǎo）極限尺寸十分重（chóng）要。擋圈內徑Z小極限尺寸不小於輪帶內徑Z大（dà）極限尺寸是設（shè）計控（kòng）製的關鍵。

如輪帶內徑的尺寸為Φ526 6^+1.0 0mm（即Z大極限尺寸為（wéi）Φ5 267 mm），則擋（dǎng）圈的內徑尺寸可確（què）定為Φ526 7^+4.0 +1.0mm。根據留足擋圈膨脹間隙的（de）設計原則，擋圈內（nèi）徑的製造內控標準可（kě）確定為Φ526 7^+4.0 +3.0mm。

2.2　設計結構

封（fēng）閉環結構的擋圈隻要出（chū）現與墊板間接的設計間（jiān）隙過小的情況，筒體和墊（diàn）板熱態膨脹將對擋圈產生拉伸應力，必然有熱態斷裂的隱（yǐn）患。

如果將擋圈封閉環結構更改為開口環（huán）結構，安裝固定方式作（zuò）相應的變化，其擋圈與（yǔ）輪帶的接觸麵積仍然極大，在任何情況下都不會因筒體熱態膨脹對擋圈產生破壞性拉（lā）伸應力。開口環（huán）結構的擋圈在設計、製造、安裝方麵對膨（péng）脹間隙（xì）都不需要嚴格控製（zhì），完全可以避免投產初期出現封閉環結構的擋圈斷裂（liè）現象。

2.3　製造工藝

機加工（gōng）前應預先考慮分割縫隙時去除（chú）材料引起的擋圈周長減小量。在內徑機加工時預先給予（yǔ）彌補。如擋圈（quān）內（nèi）徑目標值為（wéi）Φ5 270 mm，分割縫隙占（zhàn）用擋圈周（zhōu）長總計達到8 mm，則內（nèi）徑需增（zēng）加至Φ5 272.6 mm（即增加8/π mm），從製造角度（dù）滿足現場編焊後內徑目標值Φ5 270 mm對應的周長5 270π mm要求（qiú）。

製造工藝關鍵在於機加工前（qián）預估分割縫隙占用擋圈周長的準（zhǔn）確性。即對（duì）采用分割設備形成分割縫隙寬度的穩定性進行準確的評估，為機加工增大（dà）擋圈直徑提供可靠的依據。

2.4　出廠配（pèi）對標記

在同一安裝現場安裝的多台回轉窯（yáo）擋圈容（róng）易混淆。即便單台三檔支承（chéng）回轉窯的6個擋圈，也容易混淆。製造（zào）分割時同一擋圈宜做相同（tóng）的標記（台標記和檔標（biāo）記），防止安裝現場混淆（xiáo）配對導（dǎo）致間隙或大或小。

2.5　安（ān）裝測量與修正

1）安裝過程中（zhōng）的擋圈周長測量判（pàn）斷法（fǎ）

安裝時（shí）應該檢查擋圈與墊板的（de）間隙（xì）。間隙不夠時應在擋圈對接焊（hàn）縫處墊以適當厚的鋼板；間隙過大時應采用修磨等方法去除材料縮（suō）短擋圈周長。間隙檢查應在Z後一道編接縫隙施（shī）焊之前，滿足要求後方可施焊（hàn）Z後一（yī）道（dào）編接縫隙。安裝時檢查（chá）擋圈周長應（yīng）作為整體擋圈的安裝規範要求。

對（duì）於直徑較（jiào）大截麵較小的整體圓環“麵（miàn）條（tiáo）”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。擋圈離開機床分割分片前後或編接前後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（jìng）數值是依靠可測量的周（zhōu）長數據支撐的。測量和控製擋圈周長間（jiān）接推算平均直徑是有效控製膨脹間隙的途徑。擋圈周長（zhǎng）測量目的，是為擋圈編（biān）焊時補償缺失的周長或去除（chú）多餘的長度提供可靠依（yī）據。

如圖2所示，可（kě）以通過外圓周長的測量數據c1、擋圈徑向寬（kuān）度測量數據b、墊板外圓周長測量數據c2進行推（tuī）算。

圖2　擋圈與墊板（bǎn）之間的尺寸關係

a'=（c1-c2）/π-2b（1）

式中：a'——擋圈與墊板之（zhī）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——擋圈徑向寬度。

因為是通過周長測得直徑，可將生產尺時的刻線（xiàn）誤差（chà）縮小π倍（bèi）後反（fǎn）映（yìng）到測（cè）量結果上[3]。在Φ500 mm以上的大直徑測量中（zhōng），π尺精度（dù）高於遊標卡（kǎ）尺；在Φ1 000 mm以上的測量中，這一優點尤為（wéi）突  出[3]。用π尺測量鋼鐵件時不受工件溫（wēn）度的影響（xiǎng），這是因為π尺很薄，測量時（shí）將（jiāng）在很（hěn）短的時間內能與被測件等溫，又因它（tā）們的熱膨脹（zhàng）係數極為接（jiē）近，可以克（kè）服溫度的影響[3]。尺寸Φ5 500 mm的π尺測量示（shì）值誤差僅為±0.15 mm[3]。如圖2所示，通過π尺（chǐ）測（cè）量擋圈外徑d1和墊（diàn）板外（wài）徑d2推算擋圈與墊板之間的實際間隙值（zhí）a'更為方便準確。推薦計算方法：

a'=d1-d2-2b（2）

式中：d1——擋圈外徑，mm；

d2——墊板外（wài）徑，mm。

擋圈周（zhōu）長安裝補償量L通（tōng）過間隙設計值a、擋（dǎng）圈與墊板之間的（de）實際間隙值a'進行推（tuī）算。

L=（a-a'）×π（3）

式中：L——擋圈周長安裝補償量，mm；

a——間隙設計值，mm。

當L為正（zhèng）數時，說明測量間隙a'小於設（shè）計值（zhí），可通過墊鋼板焊接的方法增加擋（dǎng）圈周長（zhǎng）；當（dāng）L為負數時，說（shuō）明測量間隙a'大於設計值，可通過修磨等去除材料的（de）方法縮短（duǎn）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（zhī），回轉窯在使用過程中，由於輪帶和墊板之間間隙的存在，因而輪帶與墊（diàn）板在周向發生位移。輪（lún）帶內孔與墊板外圓柱麵之間發生滾動，回轉窯筒體每轉動一圈，輪帶與墊板在周向位移（yí）的距離（即周長差（chà））約為間（jiān）隙的π倍。

同樣，回轉窯在（zài）使（shǐ）用過程中，由於擋圈和墊板之間（jiān）間隙的存在，擋圈與墊（diàn）板在周向也發生位移。擋圈內孔與墊板外（wài）圓柱麵之間發生滾動（dòng），回轉窯筒體每轉動一圈，擋（dǎng）圈與墊板在周向位移的距離（即周長差）約為（wéi）間隙的π倍。

因（yīn）此，在回轉（zhuǎn）窯（yáo）使用過程中，隻要在擋圈側麵和墊板（bǎn）上做上對應的記號，就能測量出熱態或冷態（tài）回轉窯運轉中擋圈和墊板之間的周向位移量（liàng）。其平均每轉動一圈的位移量l對應的間（jiān）隙a'為l/π。

如果輪帶和墊板之間（jiān）或擋圈和墊板之間不存在間隙（xì），將（jiāng）不產生（shēng）周向位移或熱態被“咬死”，存在擋（dǎng）圈斷裂隱患。

通過擋圈和墊板（bǎn）之間周向位移量的測量，可以進行如下幾方麵的判斷：

a）能（néng）夠通過目測周向位移判斷（duàn）冷態或熱態回轉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或熱態擋圈和墊板之間的間隙實際值。

c）能夠（gòu）通過是否（fǒu）有周向（xiàng）位移判斷是否（fǒu）存在因膨脹間隙過小的擋圈斷裂隱患。

3　結論

（1）認識整體擋圈與墊板之間間隙的重要性，在設計、製造（zào）、標記（jì）、安（ān）裝等四個方麵把握好間隙控製方法，或（huò）對擋圈設計結構作更合理的（de）改進，完全可以避免整體擋圈因熱膨（péng）脹原因產（chǎn）生的斷裂問題。

（2）製造和安裝中（zhōng）保證擋圈周長達到設計對應直徑的要（yào）求（qiú），是（shì）防（fáng）止擋圈熱態斷裂Z有效的預防措施。（3）通過擋圈和（hé）墊板之間周向位移量的測量，能夠判斷冷態或（huò）熱態回（huí）轉窯擋圈和墊（diàn）板之間是否存在間隙；能夠推算（suàn）冷態或熱態（tài）擋圈和墊（diàn）板之間的間（jiān）隙實際（jì）值；能夠判斷是否存在因間隙問題的（de）擋圈斷裂隱（yǐn）患。

來源：《水（shuǐ）泥》2018年第10期