轮带挡圈断裂的原因分析与预防措施探讨

贲道春

（江苏鹏飞集团股份有限公司）

轮带挡圈是用于限制轮带在垫板上位置的零件。20世纪限制轮带位置一直使用挡块结构，直到21世纪初，为了增加挡块与轮带的接触面积，减少磨损，部分设计开始采用间断式挡环（每段挡环弧长1m左右）。挡块或挡环是多块或多段结构，不存在断裂问题，只因接触面积大小而存在磨损快慢问题。为了追求挡环与轮带接触面积Z大化和磨损Z小化，近几年有些设计采用整体挡圈代替挡环。

但是整体挡圈在使用过程中可能会出现断裂现象，例如某线回转窑在刚刚投产正常运转过程中，某档轮带整体式挡圈在非焊接位置突然断裂，虽然现场进行了焊接处理，但对是否还存在断裂隐患存在顾虑。

挡圈内径（或挡圈与垫板之间的热膨胀间隙）控制不当，容易导致使用过程中断裂。分析整体式挡圈断裂问题出现的真正原因，有利于为其设计、制造、安装提供依据和帮助，避免在投产初期或热工不稳定时出现挡圈断裂影响运行的问题。

1　原因分析

1.1　断裂机理

整体挡圈为圆环结构，在制造厂加工成整体。为了方便运输，制造厂将其分割成两半或多片，现场安装时再编焊成整体。整体挡圈断裂的现场状况如图1所示。断裂位置是非焊接位置，说明挡圈焊接质量不存在问题。能够导致挡圈断裂的原因只可能是在运行中挡环截面产生了巨大的拉伸应力。

图1　整体挡圈断裂照片

如果挡圈与垫板之间没有预留热态膨胀间隙，筒体和垫板的径向膨胀力就会转化为挡圈环向截面拉伸应力。当挡圈环向截面拉应力超过材料许用拉伸应力时，将发生塑性变形或断裂。由于挡圈截面积较小，挡圈不能承受筒体和垫板的径向膨胀力时导致挡圈断裂。挡圈断裂后，挡圈的拉伸内应力得到释放，将不再产生第二处断裂。这就意味着整体挡圈设计和安装时预留一个开口很有必要。

1.2　设计分析

设计数据举例：挡圈内径Φ5 270 mm（未注公差）；轮带内径Φ526 6^+1.0 0mm，即Z大极限尺寸Φ5 267 mm。挡圈内径Φ5 270 mm，设计未注公差，按照GB/T 32994—2016《水泥工业用回转窑》标准规定的“图样上机械加工面的未注公差值的极限偏差应符合GB/T 1804—2000中m级的规定[1]”。GB/T 1804—2000《一般公差 未注公差的线性和角度尺寸的公差》[2]标准只规定了4 000 mm以下尺寸的未注公差，对于大于4 000 mm的尺寸（如该例的尺寸Φ5 270 mm）未注公差无法执行GB/T 1804—2000标准。因此挡圈重要内径尺寸Φ5 270 mm的Z小极限尺寸因为未注公差而无法确定和控制，成为该例的设计缺陷。

轮带与垫板之间的间隙设计已经考虑预留热态安全间隙。从理论上分析，只要挡圈内径Z小极限尺寸不小于轮带内径Z大极限尺寸，就能说明设计是合理的。该例挡圈的实际安装内径只要小于轮带内径Z大极限尺寸，就有可能存在挡圈断裂的风险。

1.3　安装问题分析

假定因未注公差将挡圈内径Φ5 270 mm加工成Φ5 267 mm（亦称挡圈内周长为5 267π mm）或更小，轮带内径为合格尺寸Φ5 267 mm（亦称轮带内周长为5 267π mm），则挡圈现场编焊效果为挡圈内径等于或小于轮带内径（亦称挡圈内周长等于或小于轮带内周长）。由于上述原因导致轮带与垫板热态间隙为0或过盈，说明设计制造未能保证挡圈与垫板之间能够存在一定的热态间隙，挡圈断裂危险将随时发生。

只有当挡圈现场编焊时挡圈内径大于轮带内径（亦称挡圈内周长大于轮带内周长）时，才能保证挡圈与垫板之间热态时存在间隙，不存在断裂的隐患。

1.4　类似问题对比

回转窑类似膨胀或收缩导致零部件损坏问题还有轮带与垫板之间的间隙、托轮和托轮轴的配合。

轮带截面较大，轮带对筒体径向膨胀力的反作用力足以憋坏筒体或筒体内部的耐火内衬（亦称缩颈）。挡圈的截面较小，刚度和强度远小于筒体。挡圈对筒体径向膨胀力的反作用力不但不产生损坏筒体和筒体内部耐火内衬的后果，反而挡圈本身被筒体径向膨胀力损坏，导致断裂（亦称崩圈）。

托轮和托轮轴配合过盈量过大（或由于轴孔的圆柱度超标原因产生装配后局部过盈过大）会导致与挡圈同样的断裂后果，其断裂未必是托轮或挡圈存在缺陷或制造质量问题，较大收缩应力的存在可能会导致托轮随时随地发生断裂。

2　预防措施

2.1　膨胀间隙

以轮带内径的Z大极限尺寸为挡圈内径Z小尺寸的基准，留足膨胀间隙是挡圈的设计原则。设计时标注挡圈内径公差，明确Z小极限尺寸十分重要。挡圈内径Z小极限尺寸不小于轮带内径Z大极限尺寸是设计控制的关键。

如轮带内径的尺寸为Φ526 6^+1.0 0mm（即Z大极限尺寸为Φ5 267 mm），则挡圈的内径尺寸可确定为Φ526 7^+4.0 +1.0mm。根据留足挡圈膨胀间隙的设计原则，挡圈内径的制造内控标准可确定为Φ526 7^+4.0 +3.0mm。

2.2　设计结构

封闭环结构的挡圈只要出现与垫板间接的设计间隙过小的情况，筒体和垫板热态膨胀将对挡圈产生拉伸应力，必然有热态断裂的隐患。

如果将挡圈封闭环结构更改为开口环结构，安装固定方式作相应的变化，其挡圈与轮带的接触面积仍然极大，在任何情况下都不会因筒体热态膨胀对挡圈产生破坏性拉伸应力。开口环结构的挡圈在设计、制造、安装方面对膨胀间隙都不需要严格控制，完全可以避免投产初期出现封闭环结构的挡圈断裂现象。

2.3　制造工艺

机加工前应预先考虑分割缝隙时去除材料引起的挡圈周长减小量。在内径机加工时预先给予弥补。如挡圈内径目标值为Φ5 270 mm，分割缝隙占用挡圈周长总计达到8 mm，则内径需增加至Φ5 272.6 mm（即增加8/π mm），从制造角度满足现场编焊后内径目标值Φ5 270 mm对应的周长5 270π mm要求。

制造工艺关键在于机加工前预估分割缝隙占用挡圈周长的准确性。即对采用分割设备形成分割缝隙宽度的稳定性进行准确的评估，为机加工增大挡圈直径提供可靠的依据。

2.4　出厂配对标记

在同一安装现场安装的多台回转窑挡圈容易混淆。即便单台三档支承回转窑的6个挡圈，也容易混淆。制造分割时同一挡圈宜做相同的标记（台标记和档标记），防止安装现场混淆配对导致间隙或大或小。

2.5　安装测量与修正

1）安装过程中的挡圈周长测量判断法

安装时应该检查挡圈与垫板的间隙。间隙不够时应在挡圈对接焊缝处垫以适当厚的钢板；间隙过大时应采用修磨等方法去除材料缩短挡圈周长。间隙检查应在Z后一道编接缝隙施焊之前，满足要求后方可施焊Z后一道编接缝隙。安装时检查挡圈周长应作为整体挡圈的安装规范要求。

对于直径较大截面较小的整体圆环“面条”形挡圈，整体刚度极差，变形极大，其形状是“圈”，各处的直径不固定。挡圈离开机床分割分片前后或编接前后都无法直接测量其直径，但可以通过π尺测量其平均直径。

刚度极差的圆环，其平均直径数值是依靠可测量的周长数据支撑的。测量和控制挡圈周长间接推算平均直径是有效控制膨胀间隙的途径。挡圈周长测量目的，是为挡圈编焊时补偿缺失的周长或去除多余的长度提供可靠依据。

如图2所示，可以通过外圆周长的测量数据c1、挡圈径向宽度测量数据b、垫板外圆周长测量数据c2进行推算。

图2　挡圈与垫板之间的尺寸关系

a'=（c1-c2）/π-2b（1）

式中：a'——挡圈与垫板之间的实际间隙值，mm；

c1——挡圈外周长，mm；

c2——垫板外圆周长，mm；

π——圆周率，取3.14 159 26；

b——挡圈径向宽度。

因为是通过周长测得直径，可将生产尺时的刻线误差缩小π倍后反映到测量结果上[3]。在Φ500 mm以上的大直径测量中，π尺精度高于游标卡尺；在Φ1 000 mm以上的测量中，这一优点尤为突  出[3]。用π尺测量钢铁件时不受工件温度的影响，这是因为π尺很薄，测量时将在很短的时间内能与被测件等温，又因它们的热膨胀系数极为接近，可以克服温度的影响[3]。尺寸Φ5 500 mm的π尺测量示值误差仅为±0.15 mm[3]。如图2所示，通过π尺测量挡圈外径d1和垫板外径d2推算挡圈与垫板之间的实际间隙值a'更为方便准确。推荐计算方法：

a'=d1-d2-2b（2）

式中：d1——挡圈外径，mm；

d2——垫板外径，mm。

挡圈周长安装补偿量L通过间隙设计值a、挡圈与垫板之间的实际间隙值a'进行推算。

L=（a-a'）×π（3）

式中：L——挡圈周长安装补偿量，mm；

a——间隙设计值，mm。

当L为正数时，说明测量间隙a'小于设计值，可通过垫钢板焊接的方法增加挡圈周长；当L为负数时，说明测量间隙a'大于设计值，可通过修磨等去除材料的方法缩短挡圈周长。

2）使用过程中的挡圈周向位移测量判断法

众所周知，回转窑在使用过程中，由于轮带和垫板之间间隙的存在，因而轮带与垫板在周向发生位移。轮带内孔与垫板外圆柱面之间发生滚动，回转窑筒体每转动一圈，轮带与垫板在周向位移的距离（即周长差）约为间隙的π倍。

同样，回转窑在使用过程中，由于挡圈和垫板之间间隙的存在，挡圈与垫板在周向也发生位移。挡圈内孔与垫板外圆柱面之间发生滚动，回转窑筒体每转动一圈，挡圈与垫板在周向位移的距离（即周长差）约为间隙的π倍。

因此，在回转窑使用过程中，只要在挡圈侧面和垫板上做上对应的记号，就能测量出热态或冷态回转窑运转中挡圈和垫板之间的周向位移量。其平均每转动一圈的位移量l对应的间隙a'为l/π。

如果轮带和垫板之间或挡圈和垫板之间不存在间隙，将不产生周向位移或热态被“咬死”，存在挡圈断裂隐患。

通过挡圈和垫板之间周向位移量的测量，可以进行如下几方面的判断：

a）能够通过目测周向位移判断冷态或热态回转窑挡圈和垫板之间是否存在间隙。

b）能够通过周向位移量推算冷态或热态挡圈和垫板之间的间隙实际值。

c）能够通过是否有周向位移判断是否存在因膨胀间隙过小的挡圈断裂隐患。

3　结论

（1）认识整体挡圈与垫板之间间隙的重要性，在设计、制造、标记、安装等四个方面把握好间隙控制方法，或对挡圈设计结构作更合理的改进，完全可以避免整体挡圈因热膨胀原因产生的断裂问题。

（2）制造和安装中保证挡圈周长达到设计对应直径的要求，是防止挡圈热态断裂Z有效的预防措施。（3）通过挡圈和垫板之间周向位移量的测量，能够判断冷态或热态回转窑挡圈和垫板之间是否存在间隙；能够推算冷态或热态挡圈和垫板之间的间隙实际值；能够判断是否存在因间隙问题的挡圈断裂隐患。

来源：《水泥》2018年第10期