賁道春

（江蘇鵬飛集團股份有限公司）

輪帶擋圈是用于限制輪帶在墊板上位置的零件。20世紀限制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面積，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）。擋塊或擋環是多塊或多段結構，不存在斷裂問題，只因接觸面積大小而存在磨損快慢問題。為了追求擋環與輪帶接觸面積Z大化和磨損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非焊接位置突然斷裂，雖然現場進行了焊接處理，但對是否還存在斷裂隱患存在顧慮。

擋圈內徑（或擋圈與墊板之間的熱膨脹間隙）控制不當，容易導致使用過程中斷裂。分析整體式擋圈斷裂問題出現的真正原因，有利于為其設計、制造、安裝提供依據和幫助，避免在投產初期或熱工不穩定時出現擋圈斷裂影響運行的問題。

1　原因分析

1.1　斷裂機理

整體擋圈為圓環結構，在制造廠加工成整體。為了方便運輸，制造廠將其分割成兩半或多片，現場安裝時再編焊成整體。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，說明擋圈焊接質量不存在問題。能夠導致擋圈斷裂的原因只可能是在運行中擋環截面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熱態膨脹間隙，筒體和墊板的徑向膨脹力就會轉化為擋圈環向截面拉伸應力。當擋圈環向截面拉應力超過材料許用拉伸應力時，將發生塑性變形或斷裂。由于擋圈截面積較小，擋圈不能承受筒體和墊板的徑向膨脹力時導致擋圈斷裂。擋圈斷裂后，擋圈的拉伸內應力得到釋放，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留一個開口很有必要。

1.2　設計分析

設計數據舉例：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“圖樣上機械加工面的未注公差值的極限偏差應符合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]標準只規定了4 000 mm以下尺寸的未注公差，對于大于4 000 mm的尺寸（如該例的尺寸Φ5 270 mm）未注公差無法執行GB/T 1804—2000標準。因此擋圈重要內徑尺寸Φ5 270 mm的Z小極限尺寸因為未注公差而無法確定和控制，成為該例的設計缺陷。

輪帶與墊板之間的間隙設計已經考慮預留熱態安全間隙。從理論上分析，只要擋圈內徑Z小極限尺寸不小于輪帶內徑Z大極限尺寸，就能說明設計是合理的。該例擋圈的實際安裝內徑只要小于輪帶內徑Z大極限尺寸，就有可能存在擋圈斷裂的風險。

1.3　安裝問題分析

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（亦稱輪帶內周長為5 267π mm），則擋圈現場編焊效果為擋圈內徑等于或小于輪帶內徑（亦稱擋圈內周長等于或小于輪帶內周長）。由于上述原因導致輪帶與墊板熱態間隙為0或過盈，說明設計制造未能保證擋圈與墊板之間能夠存在一定的熱態間隙，擋圈斷裂危險將隨時發生。

只有當擋圈現場編焊時擋圈內徑大于輪帶內徑（亦稱擋圈內周長大于輪帶內周長）時，才能保證擋圈與墊板之間熱態時存在間隙，不存在斷裂的隱患。

1.4　類似問題對比

回轉窯類似膨脹或收縮導致零部件損壞問題還有輪帶與墊板之間的間隙、托輪和托輪軸的配合。

輪帶截面較大，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（亦稱縮頸）。擋圈的截面較小，剛度和強度遠小于筒體。擋圈對筒體徑向膨脹力的反作用力不但不產生損壞筒體和筒體內部耐火內襯的后果，反而擋圈本身被筒體徑向膨脹力損壞，導致斷裂（亦稱崩圈）。

托輪和托輪軸配合過盈量過大（或由于軸孔的圓柱度超標原因產生裝配后局部過盈過大）會導致與擋圈同樣的斷裂后果，其斷裂未必是托輪或擋圈存在缺陷或制造質量問題，較大收縮應力的存在可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

以輪帶內徑的Z大極限尺寸為擋圈內徑Z小尺寸的基準，留足膨脹間隙是擋圈的設計原則。設計時標注擋圈內徑公差，明確Z小極限尺寸十分重要。擋圈內徑Z小極限尺寸不小于輪帶內徑Z大極限尺寸是設計控制的關鍵。

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

2.2　設計結構

封閉環結構的擋圈只要出現與墊板間接的設計間隙過小的情況，筒體和墊板熱態膨脹將對擋圈產生拉伸應力，必然有熱態斷裂的隱患。

如果將擋圈封閉環結構更改為開口環結構，安裝固定方式作相應的變化，其擋圈與輪帶的接觸面積仍然極大，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伸應力。開口環結構的擋圈在設計、制造、安裝方面對膨脹間隙都不需要嚴格控制，完全可以避免投產初期出現封閉環結構的擋圈斷裂現象。

2.3　制造工藝

機加工前應預先考慮分割縫隙時去除材料引起的擋圈周長減小量。在內徑機加工時預先給予彌補。如擋圈內徑目標值為Φ5 270 mm，分割縫隙占用擋圈周長總計達到8 mm，則內徑需增加至Φ5 272.6 mm（即增加8/π mm），從制造角度滿足現場編焊后內徑目標值Φ5 270 mm對應的周長5 270π mm要求。

制造工藝關鍵在于機加工前預估分割縫隙占用擋圈周長的準確性。即對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，為機加工增大擋圈直徑提供可靠的依據。

2.4　出廠配對標記

在同一安裝現場安裝的多臺回轉窯擋圈容易混淆。即便單臺三檔支承回轉窯的6個擋圈，也容易混淆。制造分割時同一擋圈宜做相同的標記（臺標記和檔標記），防止安裝現場混淆配對導致間隙或大或小。

2.5　安裝測量與修正

1）安裝過程中的擋圈周長測量判斷法

安裝時應該檢查擋圈與墊板的間隙。間隙不夠時應在擋圈對接焊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短擋圈周長。間隙檢查應在Z后一道編接縫隙施焊之前，滿足要求后方可施焊Z后一道編接縫隙。安裝時檢查擋圈周長應作為整體擋圈的安裝規范要求。

對于直徑較大截面較小的整體圓環“面條”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后或編接前后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，其平均直徑數值是依靠可測量的周長數據支撐的。測量和控制擋圈周長間接推算平均直徑是有效控制膨脹間隙的途徑。擋圈周長測量目的，是為擋圈編焊時補償缺失的周長或去除多余的長度提供可靠依據。

如圖2所示，可以通過外圓周長的測量數據c1、擋圈徑向寬度測量數據b、墊板外圓周長測量數據c2進行推算。

圖2　擋圈與墊板之間的尺寸關系

a'=（c1-c2）/π-2b（1）

式中：a'——擋圈與墊板之間的實際間隙值，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誤差縮小π倍后反映到測量結果上[3]。在Φ500 mm以上的大直徑測量中，π尺精度高于游標卡尺；在Φ1 000 mm以上的測量中，這一優點尤為突  出[3]。用π尺測量鋼鐵件時不受工件溫度的影響，這是因為π尺很薄，測量時將在很短的時間內能與被測件等溫，又因它們的熱膨脹系數極為接近，可以克服溫度的影響[3]。尺寸Φ5 500 mm的π尺測量示值誤差僅為±0.15 mm[3]。如圖2所示，通過π尺測量擋圈外徑d1和墊板外徑d2推算擋圈與墊板之間的實際間隙值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——墊板外徑，mm。

擋圈周長安裝補償量L通過間隙設計值a、擋圈與墊板之間的實際間隙值a'進行推算。

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為正數時，說明測量間隙a'小于設計值，可通過墊鋼板焊接的方法增加擋圈周長；當L為負數時，說明測量間隙a'大于設計值，可通過修磨等去除材料的方法縮短擋圈周長。

2）使用過程中的擋圈周向位移測量判斷法

眾所周知，回轉窯在使用過程中，由于輪帶和墊板之間間隙的存在，因而輪帶與墊板在周向發生位移。輪帶內孔與墊板外圓柱面之間發生滾動，回轉窯筒體每轉動一圈，輪帶與墊板在周向位移的距離（即周長差）約為間隙的π倍。

同樣，回轉窯在使用過程中，由于擋圈和墊板之間間隙的存在，擋圈與墊板在周向也發生位移。擋圈內孔與墊板外圓柱面之間發生滾動，回轉窯筒體每轉動一圈，擋圈與墊板在周向位移的距離（即周長差）約為間隙的π倍。

因此，在回轉窯使用過程中，只要在擋圈側面和墊板上做上對應的記號，就能測量出熱態或冷態回轉窯運轉中擋圈和墊板之間的周向位移量。其平均每轉動一圈的位移量l對應的間隙a'為l/π。

如果輪帶和墊板之間或擋圈和墊板之間不存在間隙，將不產生周向位移或熱態被“咬死”，存在擋圈斷裂隱患。

通過擋圈和墊板之間周向位移量的測量，可以進行如下幾方面的判斷：

a）能夠通過目測周向位移判斷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）能夠通過是否有周向位移判斷是否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、制造、標記、安裝等四個方面把握好間隙控制方法，或對擋圈設計結構作更合理的改進，完全可以避免整體擋圈因熱膨脹原因產生的斷裂問題。

（2）制造和安裝中保證擋圈周長達到設計對應直徑的要求，是防止擋圈熱態斷裂Z有效的預防措施。（3）通過擋圈和墊板之間周向位移量的測量，能夠判斷冷態或熱態回轉窯擋圈和墊板之間是否存在間隙；能夠推算冷態或熱態擋圈和墊板之間的間隙實際值；能夠判斷是否存在因間隙問題的擋圈斷裂隱患。

來源：《水泥》2018年第10期