1.1 研 | 究 | 背 | 景 | 华北电力大 | 学硕士学位论文 | |
第一章绪 | 论 |
所谓磨损,是由于机械作用,间或伴有化学或电的作用,物体工作表面材料在
相对运动中不断 | 损耗的现象 。据不完全统计 ,能 | 源的 1/3 到 1/2 消耗于摩擦与磨损 , |
约 60%一80% 的机器零件失效是由于磨损引起的, 可知磨损是机器最常见也是最大
量的一种失效方式。因而研究磨损机理和提高材料耐磨性的措施,将有效地节约材
料和能量,提高机器装备的使用性能和使用寿命,减少维修费用,这对于国民经济
的发展具有重大意义川。
中速磨煤机制粉系统作为燃烧电站的主要系统,其运行状况直接关系到锅炉带
负荷能力及炉内燃烧稳定性,其中磨辊是主要易磨损件。 由于磨辊在服役中既承受
着煤的摩擦磨损,又承受煤的高应力接触疲劳作用,特别是受到两者的联合交互作
用, 使得磨辊使用寿命很短, 在某些严酷的工况下其使用寿命只有3~ 4 个月, 因
而如何提高磨辊的使用寿命, 就成为火电厂迫切需要解决的一个难题[]。
随着计算机技术日趋完善并智能化,特别是计算机仿真技术的发展, 由于其具
有经济、安全可靠、试验周期短等特点,它己经成为工程系统和非工程系统研究人
员不可缺少的设计分析工具,应用于航空、 航天、 航海、 石油、 化工、 机械制造、
钢铁、 冶金、社会经济、 生物、 医学和工业管理等部门。
仿真技术综合集成了计算机、 网络技术、 图形图像技术、 多媒体、 软件工程、
信息处理、自动控制及系统工程等多个高技术领域的知识。仿真技术是以相似原理、
信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础, 以计算机和各种物理效
应设备为工具,利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技
术。它通过建立研究系统的模型,结合环境条件进行研究、分析和实验的方法。 它
作为一种研究方法和实验技术直接应用于系统研究[3]一[81 。
将仿真技术用于估算磨损状态已被证明是一种十分有效的方法,其主要特点是
可解决配偶零件几何尺寸等多项参数随磨损过程不断变化的动态问题,从而克服了
传统数学方法局限于静态的不足,而且节省了大量的人力、物力和财力。可见,使
用仿真技术对磨损件的磨损过程进行动态仿真是一种经济有效地方法。
1.2 研究的目的和意义
目前, 国内外中速磨煤机的磨辊大都使用硬度可达 HR A 5 0 以上的镍硬 4 号铸
铁和高铬铸铁 ,但是由于我国
火力发电厂燃烧煤质较差,铁块、石块、木块等杂质
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较多, 导致磨辊磨损严重, 一般运行寿命仅有800 0 ~ 10 000h 的寿命, 更满足不了
火电厂锅炉机组300 00 一40000h 大修周期的需要。同时, 由于磨辊磨损严重,使磨
煤机长期在低出力情况下运行,导致锅炉磨煤备用系数严重不足。多年来,碾磨件
的 | 磨损 ,造成了很大的人力和物力损失 ,而由此引 | 发的锅炉停运 、机组少发 、不发 |
造成的间接经济损失更大【9]。
关于磨辊磨损机理和影响因素的研究对于改善磨辊的磨损状况具有很好的理
论价值。近几十年来, 很多研究者都致力于减缓磨辊等电厂易磨件磨损的研究中,
首先引起关注的应当是磨辊的磨损机理了,多年以来,摩擦学界在磨损机理、摩擦
学系统分析理论与方法、磨损表面微观分析等方面进行了大量的研究。但磨损研究
方‘法大多集中于实验研究,即要求针对某种标准试样, 以某种选定的试验条件在专
门的试验机上进行大量模拟试验, 以进行经验性探索。这种实验研究方法耗费大量
时间、人力、物力和财力,而由于实际摩擦学系统的复杂性和不同工况,某些模拟
试验结果不能很好地用于摩擦学系统设计和实际工程应用,如磨损寿命预测、磨损
动态监测和耐磨性设计等。
因此,将仿真技术应用到磨辊的磨损过程中,既可以对已经投入生产的磨辊使
用寿命进行预测,又可以为磨辊的选材和改性措施提供理论指导,提高电站安全稳
定性。因此,对磨煤机磨辊磨损过程的仿真研究是具有很好的实用价值和理论意义
的。
1.3国内外的研究现状
20世纪30 年代以后,由于科学技术的快速发展,磨损问题己成为保证机器设
备正常工作的薄弱环节,对磨损的研究提出了迫切的要求。20世纪50年代初期在
工业发达国家开始研究“薪着磨损”理论,探讨磨损机理。从20 世纪60年代以后,
由于测试仪器和同位素示踪技术、铁谱技术等大量和综合的应用,使得磨损研究在
摩擦力学、机理、失效分析、监测及维修等方面有了较快的发展。目前已把磨损试
验机直接装在电子显微镜内以便进行观测和电视录像,了解磨损的动态过程,而且
研究磨损的表面、次表面及磨屑形貌、成分、组织和性能的变化,以便搞清楚磨损
机理,分析和监测磨损过程,从而寻求提高机器寿命的可能途径[l0]一[’3]。
众多学者在研究磨辊磨损机理的过程中,积累了很多关于不同型号和规格的磨
辊的实验数据和实验结论,自此基础上对很多影响磨辊磨损的因素进行了分析,如:
磨辊的材质、硬度、制造工艺,煤料的粒度、石英及铁矿石的含量等。 开发了很多
针对磨辊的表面改性技术,如表面堆焊、表面涂层、等离子体表面淬火等技术;研
制了 | 很多新型的耐磨材料这些都对磨辊的磨损有了 | 很大的改善 ,但是很多改进措施 |
的研发过程都是先将其直接应用到磨辊上,在实际磨损后再对该措施的可行性进行
2
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分析,这需要建立在大量的试验基础上,有时盲目的增大一方面的影响因素,却忽
略了这些影响因素之间千丝万缕地关系,使得改进措施不够理想,我们可以使用数
值仿真技术来弥补这些不足。
数值仿真方法作为新的磨损研究手段和方法已引起摩擦学界的重视,在实际摩
擦副的磨损研究中已经得到了应用,对磨粒磨损的数值仿真研究主要集中于二体磨
损表面形貌和磨损预测,对三体磨损的数值仿真研究较为欠缺。对于疲劳磨损的数
值仿真研究主要集中于用力学和断裂力学方法建立疲劳磨损模型,用有限元法进行
参数定量计算和疲劳裂纹行为的数值模拟。在工程应用领域,关于摩擦副磨损仿真
的 | 研究主要着眼于齿轮 、凸 | 轮和缸套一活塞环系统 ,该技术也应用到了对刀具的磨 |
损状态分析中,将该技术应用于到电厂的一些易磨损件中,对其进行磨损过程的分
析和失效机理的研究还是比较少的。
因此,将数值仿真技术应用到对电厂易损件的磨损过程中,是磨损问题研究的
发展需要 , 也是提高生产安全系数和降低经济损失的
1.4 本课题的研究内容
有效途径。
论文主要是针对磨辊磨损过程中的磨辊硬度 、磨料中石英砂的含量两大影响因
素展开研究 ,通过分析建立磨辊磨损的数学模型 ,进而使用M AT L A B 仿真模块创
建仿真模型 ,通过输入己知工况条件及结构参数 ,来预测磨辊的使用寿命 。本课题
研究的内容主要包括以下几点:
(l) 深入分析系统内磨辊磨损状态与影响因素间的因果关系 ,磨辊的磨损机理 。
(2) 通过对大量文献数据及运行工况数据的统计 , 并鉴于各电站媒质多样性的
问题 ,应用统计学方法建立了磨损模型 。
(3) 使用M AT L A B 拟合模块拟合实际磨损量数据 ,从中选择最佳拟合结果 ,进
而确定磨损模型中的未知参数 ,进一步明确各影响因素与磨损率的量化关系 。
(4) 根据已确定的磨损模型 ,使用M AT L A B 的 S IM U L IN K 模块创建仿真模型 ,
对磨损过程进行动态仿真并输出仿真结果。
(5) 将仿真结果与实际运行结果进行对比分析 , 根据分析结果来验证本文提出
的研究方法的可行性及磨损模型的可靠性 , 并提出用于磨辊磨损仿真的一般方法 ,
为根据实际磨料特性合理确定磨辊材质提供理论指导 。
1 .5 论文的主要工作
通过对研究背景及国内外研究现状的了解 ,鉴于磨辊磨损所带来得巨大经济损
失这一问题 ,本文以降低磨辊磨损率为出发点 ,建立了磨损量随运行时间变化的仿
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真模型,使用该模型对磨辊磨损过程进行仿真,为选择合适地磨料和磨辊材质提供
了一定的依据。模型的建立综合运用了理论分析、数理统计、数值拟合的研究方法,
对磨辊的磨损机理及各影响因素与磨辊磨损率的关系开展了详细的研究。论文的主
要工作可划分为三大部分。
第一部分,基础研究。在这部分工作中对传统实验方法得到的磨辊磨损数据进
行了总结性研究,加深了对磨辊磨损因素和磨损机理的认识,为下文数学模型的建
立提供了理论依据。该部分内容包括第三章。第三章主要针对磨辊硬度和磨料中石
英砂的含量两个主要影响因素进行了详细的分析。通过采用大量的文献数据,统计
对比了不同系列材料、同一系列材料不同制造工艺的磨辊硬度的变化和磨损率的差
异。通过对磨损表面的观察,根据四种基本磨损机理不同的磨损表面外观特性,初
定了磨辊的磨损机理,在对微切削过程进行深入了解后,确定了磨辊磨损过程中的
主要机理。
第二部分,模型建立。基于第一部分的研究结果,通过分析磨损过程中三个阶
段的磨损率的特点,建立了MPS 一190型磨煤机磨辊磨损过程的数学模型。对磨损率
与磨辊硬度及磨料中石英砂含量的关系进行了数学描述,为下文磨辊磨损过程的仿
真提供了理论支持。 这一部分为文中的第四章。
第三部分,过程仿真。结合前文对磨辊磨损影响因素的分析及己建立的数学模
型,对磨辊磨损过程进行仿真,并对本文提出的研究方法的可行性进行了验证,这
一部分是文中的第五章,具体内容包括仿真模型建立和方法实践两部分:结合磨损
过程的数学模型,在仿真软件平台上建立了随时间变化的磨损量的仿真模型;将本
文提出的研究方法应用到实际工况条件下,通过对仿真结果的分析,为磨辊硬度和
磨料特性的选择提出 | 指导性建议 ,并验证了 | 该 | 研究方法的 | 可行性 。 |
论文的其它章节中,第一章对本文的研究背景、 国内外研究现状、研究的目的
和意义进行了简述;第二章对本文研究对象的工作原理、结构特点及常见故障进行
了介绍:结束语部分对本文的研究成果和创新点进行了总结,分析了当前工作中存
在的不足, 为下一步工作的开展提出了建议。
第 | 二章 | 华北电力 | 大 | 学硕 | 士学位 | 论 | 文 | 选择 |
中速磨煤机样本型号的 |
在众多类型的中速磨煤机中,MP S 型磨煤机以其良好的结构和性能特点,在我
国大型火力发电厂的使用比重日益增加,但是由于其对煤种的适应性差,使得实际
生产过程的安全稳定性较差,鉴于此提出MPS 为具体研究和仿真的对象, 去探索
中速磨煤机磨辊在磨损过程中的一般规律。作为磨损过程的研究和仿真对象,中速
磨煤机样本型号的选择过程和依据如下:
2.1M PS 型中速磨煤机的工作原理及结构特点
MPs型磨煤机的工作原理为两组相对运动的碾磨部件,碾磨部件在弹簧力、液
压力或其它外力作用下,将其间的原煤挤压和碾磨,最终破碎成煤粉。通过碾磨部
件旋转,把破碎的煤粉甩到风环室,流经风环室的热空气流将这些煤粉带到中速磨
上部的煤粉分离器,过粗的煤粉被分离下来重新再磨。在这个过程中,热风还伴随
着对煤粉的干燥I’4]。在磨煤过程中,同时被甩到风环室的还有原煤中夹带的少量石
块和铁器等杂物, 它们最后落入杂物箱, 被定期排出11]。
1一磨辊2一原煤进入3一磨盘衬瓦4一煤料
图2一1 磨辊工作原理示意图
MPS 型中速磨煤机主要有给煤管、分离器、磨盘装置、磨棍装置、加压装置、
传动装置和机壳组成。原煤经给煤管落入磨盘,磨盘由传动装置带动旋转,三个磨
辊在受加压装置的压力下由磨盘带动绕自身轴作滚动运动,落在磨盘上的原煤在离
心力作用下抛向四周,经磨棍碾压粉碎。碾碎的煤粉由干燥气流带到分离器筛选,
合格煤粉随气流带出磨煤机,不合适的煤粉落回到磨盘上重新参加碾磨【6]。其结构
特点如下:
华 | 北电力 | 大学 | 硕士 | 学位论 | 文 |
l
︸ 图 2一Z M P S 型磨煤机结构图篡 | 口卑宜l月 |
(l) 采用引进技术经消化吸收后开发设计的 | 产品 , 在我国电 | 力 、 冶金 、 建材 、 |
化工等行业已有大量应用, 技术上已经成熟。
(2) 适 | 用 | 煤 | 种 | 范 | 围 | 宽 | ,低 | 磨 | 蚀 | 性 | 无 | 烟 | 煤 | 、 次 | 烟 | 煤 | 、 烟 | 煤 | 、水 | 份 | 较 | 低 | 的 | 褐 | 煤 | 等 | 均 |
可磨制。
(3)磨煤单位电耗低, 比钢球磨煤机系统低30一40 % 。
(4)由于MPS 磨机结构设计上的独有特点,它的磨辊直径要比同出力的其它中
速磨的直径大,从而工作时滚动阻力小,物料的碾入条件好,对提高磨机出力及降
低能耗非常有利。
(5)相对位置固定的三个磨辊与外加力的加载架之间用滚柱销相联, 磨辊可在
一定的范围摆动(12一15。之间),使辊子在工作中能良好地适应料层厚度、 入料粒
度和碾磨件的磨损所带来的变化。 由于M PS 磨机的加载力是靠三个拉杆的垂直拉
力加载,磨损用力均匀分布, 因此,磨辊及磨盘瓦的磨损均匀,这样能提高碾磨件
的使用寿命, (相对于HP磨来说寿命提高25一30% )。
(6)由于碾磨部件的作用力是静定支承系统传递,其碾磨力均匀作用于每个磨
辊上, 因此,磨辊及磨盘瓦、减速机等受力件受力均匀、运行平稳噪音较小,小于
85 d B (A )。
(7) 由于磨机的碾磨压力是通过加载架~ 磨辊~ 磨盘一减速机传递至设备基
础,因此磨机壳体不受外部载荷的作用,因此磨机外壳不会因为碾磨运动而随之振
动,对运动部件与静止部件之间的密封性能影响很小,密封效果好, 同时可显著降
低磨煤机振动。
(8) M PS 磨机由 | 于磨辊直径较大 , 因 | 此对入磨物料的 | 咬入性能好 , 减少了 | 物料 |
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在磨辊与磨盘之间的相对滚动, 对大块物料的适应性提高50% (相对于HP磨)。
MPS 磨机的磨辊轴位置是固定的,故当磨盘带动磨辊转动时,磨辊转动行程等于磨
盘转动行程, 不存在如同E型磨那样的与碾磨作用无关的碾磨部件之间的相对运
动,这有利于提高碾磨效率, 克服了碾磨部件不必要的磨损。
(9) M PS 磨机能够在短时间内
改变运行工况, 以适应系统生产的需要, 且在调
节过程中 ,可避免出现不稳定的现象 ,这有利于磨机整机实现自动化控制 ,并且磨
机的碾磨力能随锅炉的负荷要求 、入磨物料粒度的大小进行自动调节 ,这样在满足
锅炉系统运行的情况下 , 能使磨机在最经济的条件下运行 。
(10) M Ps 磨机集干燥 、碾磨 、选粉 、送粉功能于一体 ,热风通过热风室均匀地
从喷嘴环高速喷出与磨内物料相遇 , 达到强烈的干燥效果 。2 6 0 ℃ 以上的高温热风
在碾磨区以上1 米处迅速的降为 100 ℃ 左右 ,使水份很高 , 甚至超过 20 % 的物料获
得迅速充分的干燥 ,使碾磨好的物料的含水量一般在 0 .5一1% 左右 。
(11) 由于M P S 磨机碾磨件之间是相对滚动 ,磨机起动时只需克服很小的滚动
磨擦阻力 , 因此M P S 磨机起动阻力小 , 主电机采用结构简单 , 价格较低的鼠笼型
异步电动机驱动 。
(12) M Ps 磨机在转动部件与静止部件之间都具有合理可靠的密封装置( 下架体
与磨盘支座之间 , 三个拉杆点 、 三个磨辊点 、 分离器点) , 这样使磨机能保证在正
压工况下运行不漏出粉尘 ,在负压工况下运行而不吸入冷风 ,能够保证有一个好的
环境及磨机的干燥效率 。
(13) M Ps 磨机的易损件 , 辊胎和磨盘瓦都是用高铬铸铁或硬镍铸铁 (Ni 一H ard
W ) 制成 , 其结构合理 、使用寿命长 、 易于检修和更换 , 而对于其它有相互滑动的
部件与部件之间M P S 磨机都采用了结构合理 、使用寿命长易于安装 、 检修 、 更换
的材料和结构 ,可以大大缩短检修和更换时间 ,能够保证磨机长时间地 、不间断地
稳定运行 。
(14) M P S 磨机在碾磨件的磨损后期 ,对磨机的出力影响较小 ,只比正常工作时
出力下降 5 % 左右 ,而其它型式的中速磨煤机( 如H P 磨 、E 形磨等) 在碾磨件磨损
后期出力要下降 2 5 % 一 3 0 % 左右 ,不利于锅炉系统的正常稳定运行 。
(15) M Ps 中速磨煤机相对于其它磨机 ,尤其是筒式磨煤机 , 占地面积较小 ,这
样有利于在厂房面积一定时 | 磨机的 | 布置 ,更能 | 节省许多其它配套设备的投资 ,降低 |
了成本 。
M P S 中速磨煤机的结构特点使其受到了很多厂家的青睐 ,但是由于M P S 型中
速磨煤机对煤种的适应性差以及磨辊等易损件的失效 ,也使得很多厂家对其望而却
步 , 下面就简单介绍下M P S 型中速磨煤机的常见故障 。
二些北电力大学硕古学位诊文 .___
2.2 M PS 型中速磨煤机常见故障
中速磨煤机常见的故障有以下几种:
(l)在磨煤机中的易磨件被磨损以后,磨辊与磨碗衬板之间的咬入角变得较大,
不利于原煤的咬入与粉碎。
(2)由于磨煤机中部分材料的腐蚀,将造成加载弹簧的松弛,加载力降低,从
而磨煤量降低,运行出力降低。
(3)煤中“三块”及尺寸较大的煤块和其它粗硬异物进入磨煤机后会留在风环
间隙内或进入碾磨区造成磨煤机异常破损或剧烈震动,这不但会加剧磨辊磨盘的磨
损, 使石子煤排放量增大, 而且还会导致设备损坏[’7卜[’9]。
(4)当煤质多变, 调整磨辊压力不及时和不适合时,会使碾磨部件寿命减少。
通过列举的MPS 型中速磨煤机的常见故障, 我们看到碾磨部件的失效是导致
中速磨煤机停机的直接原因,归纳起来大致有两方面的因素:一方面,是直接由于
碾磨部件(主要是磨辊)的磨损失效造成的;另一方面,则是间接由于某些碾磨部
件的腐蚀、磨损而造成其他部件的故障引起的,归根结底还是由于碾磨部件的磨损
(特别是磨辊这一磨煤机的主要易损件)导致了磨煤机的绝大多数故障。
2.3 中速磨煤机样本型号的确定
根据前两节的叙述, 我们得知由于MPS 型磨煤机磨辊分布均匀,碾磨过程中
压力均匀地传至三个磨辊, 碾磨部件之间没有直接接触, 使得其震动小、 噪音小、
运行平稳,而且磨辊的滚动摩擦力小,具有良好的滚动特性和进料比例,碾磨效率
高, 设备结构紧凑, 占地少, 鉴于M PS 型磨煤机良好的结构和性能特点, 使得近
年来,M P S 型磨煤机在我国大型火力发电厂的使用比重日益增加。
但是MPS 型磨煤机对煤种的适应性差,对煤中“三块”特别敏感, 使得磨辊
磨损剧烈,造成了大量的经济损失。鉴于此各生产厂结合实际情况对MPS 型磨煤
机进行了不断地改进和完善, 那么进一步地对新兴的MPS 型磨煤机磨辊的磨损过
程的探索就显得愈加重要。
根据前面对M PS 型中速磨煤机工作原理、 结构特点和常见故障的叙述, 鉴于
近年来,MP S 型中速磨煤机在我国大型火力发电厂的使用量日益增加,而磨辊的磨
损失效问题成为其在实际应用中的栓桔。所以, 我们选择了MPS 型磨煤机的磨辊
作为研究和仿真的对象, 来探索磨辊磨损过程的一般规律。
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第三章中速磨煤机磨辊磨损因素及磨损机理的分析
影响磨辊磨损的因素很多,包括磨辊的材质、磨料特性、运行工况、接触形式
等等,其中磨辊材质又包括磨辊表面硬度、化学成分、化学元素的配方、 制造工艺
等 ,磨料特性包括磨粒大小 、石英及铁矿石的 | 含量等 ,下面就这几个方面加以 | 分析 |
说明。
3 .1 磨 | 损因 | 素的 | 分 | 析 | |
3 .1.1 磨辊 | 材质 |
一、 磨辊硬度
一般我们认为, 硬度越高, 耐磨性越好。但从图3一1材料硬度与磨损率的关系
中,我们可以看到材料硬度和磨损率不是线性的关系,并不是随着硬度的升高,磨
损率在一直下降。
;﹁
1 的 | 2 印 | 3 扣 | 呜的 | 5 0 0 |
材料硬度柳
图3一1 磨损率随材料硬度的变化曲线
由图可知, 在硬度<2 2OH V 限度以内,材料的磨损率是随着其硬度的增高而降
低, 当超过这一限度,硬度继续提高并不能使材料磨损率下降。影响材料磨损率的
根本因素是耐磨性,所以可以看出硬度不能作为衡量耐磨性的唯一指标,只能是耐
磨性的一个表观参数。
这是由 | 于 ,磨辊处在三体磨料磨损环境中 ,其磨损失效主要是由 | 于煤的磨粒磨 |
华北电力大学硕士学 | 位论 | 文 |
损产生的,这与磨粒的性质分不开,这里只讨论磨粒硬度与金属材料硬度之比对耐
磨性的影响,磨粒其他的影响因素在后面小节里进行探讨。关于确定磨粒硬度和金
属材料硬度间的关系对耐磨性的影响,有些研究人员对17种金属及非金属材料,
用7种各种硬度的磨料进行磨粒磨损试验, 得出了如图3一2的试验结果图。
由图可知, 磨粒硬度H。与材料硬度Hm 的比值小于KZ 时, 耐磨性无穷大, 不
发生磨损, 但是在实际生产中,增强过的刚的最硬层的维氏硬度为10OOH V ,而普
通的磨粒石英砂维氏硬度为100 0 ~125OHV ,所以磨粒磨损肯定还是存在的, 不可
能消除。 当磨粒硬度H。与材料硬度Hm 的比值大于Kl,相对耐磨性有一个确定的
最小值, 并且大小恒定, 与它们的比值大小无关了。通过前量的研究求出KI
为1.3 一1.7 ,K : 为 0.7 一1.1 ,在 K l、从间的
的变化是接近线性的。
相对耐磨性呈双曲线变化,或相对磨损
a 友 | 兀 | l 〕 |
铃
,了声亡勺
长凡玉
图 3 一2 硬度比与相对耐磨性及相对磨损的关系
二 、 不同系列材料
为分析和研究不同辊面材料的相对耐磨性 ,东北大学的陆颖等人选用了常用的
4 种耐磨堆焊材料在M P X 一2 0 0 0 型摩擦磨损试验机上进行了对比试验 , 试验条件为
采用花岗岩材料 , 载荷P = 5 0/loo M Pa , 转速n = 3 47 r/ m in,试验时间t=3m in , 得出了
如下的试验结果图 , 如图 3 一3 所示 。其中M l 和M Z 为两种新研制的含硼系耐磨材
料,M 3 为Y G 系硬质合金,M 4 为高
铬铸铁材料[20 卜[23 ]。
. .… | _ _ 二 _ _ . … | _一华」匕曳丛兰题全塾里主一一一一一一一一一一一一 |
迎李呜 | . .F = 5 0 0 |
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图 3一3 不同辊面耐磨材料的 | 相对磨损 | 对比 |
由图可知不同系列的耐磨材料,其耐磨性大不相同,其磨损量最高的为M4,
最小的为M3,载荷为SOMPa 时, 高铬铸铁M4磨损量是硬质合金M3磨损量的9
倍,载荷为looMPa 时,达到 10倍以上。 不同材料,基体组织和碳化物都不同,
硬质合金的碳化物主要是碳化钨,而高铬铸铁的碳化物主要是碳化铬,它们显微硬
度见表3一1。从表中可以知道碳化钨要比碳化铬硬度高很多,碳化物在某种程度上
对耐磨性起决定性的作用,不同类型的碳化物对材料的耐磨损能力的影响是不一样
的,这也是以上两者在磨损量上存在很大差异的主要原因之一。
表 3一1 碳化物的显微硬度
金金属元素素 碳化物物 显微硬度舰VVV
CC C r r Cf7C3 3 3 2100 0 0
CC C C C几3C6 6 165 0 0 0
WWW W W W ZCCC 约 30 0 0 00
WW W W W CC C 173 0 0 0
三、 同一系列材料
即使对于同一系列和规格的高铬铸铁耐磨材料,在同样的试验条件下,在短时
间内的磨损量也有较大的差异, 将3 种不同厂家和牌号的高铬铸铁系材料在
MPx 一20 0 0 型摩擦磨损试验机上进行了对比试验[24 卜[26 】,试验条件为采用花岗岩材
料, 载荷P=50八oo Mpa ,转速 n=34 7r/ m in ,试验时间t=3min,得出了如下的试验结
果图, 如图3一4所示。
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︹甸
图3一4 三种高铬铸铁系材料的相对磨损对比
在本试验中, 高铬铸铁磨损量最大的M 6比磨损最小的M S大将近两倍, 由于
制造工艺和化学元素配方上的细微差别,其耐磨性也存在较大的差异。
(l)制造工艺。两个材料配方完全相同(如表 3一2) 的高铬铸铁 A 和 B,A 经
过热处理, B 没有经过热处理,在磨损试验机上进行实验, 载荷为 ZN ,磨损时间
为4h ,进行 3 次实验后取平均值, 得到如图3一5 的结果。
通过实验结果可以直观的看到,相同的材料配方,不同的制造工艺导致了磨损
的很大差异, 这是由于不同的金相组织对耐磨性的影响。
试样A B 的 | 表 3一2 试样的 | 化学成分 | ||||||||||
C | M l | |||||||||||
1 .0 一4 .0 | ||||||||||||
2 .5 一2 .8 | 0 .7 , | 0 .4 一0 .8 | 2 2 一2 8 | 0 .6 - | 0 .6 一2 .0 | |||||||
< 0 .4 | ||||||||||||
A 的 | 基体是马氏 | 体 ,马氏体组织的 | 硬度高 ,耐磨性好 ,提高了 | 高铬铸铁的 | 韧性 。 | |||||||
基体是奥氏体 , 奥氏体的强 | 度不如马氏体 ,但其碳化物为片 | 状 , 有利于抗磨 , |
又弥补了它的不足。 当冲击韧性不是很大,B 的抗磨性最好。 当冲击很大时, 还是
A 的综合性能比 | 较好 。 | 喇,徽 |
图3一5 不同制造工艺的磨损对比
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(2)化学元素配方。 除了上面说的制造工艺对相同系列材料的磨辊磨损的影响
外, 不同的材料配方也会对磨损量产生很大差异。① 基本元素碳是钢铁中的基本
元素,其作用是形成高硬度的碳化物,适量提高碳的含量可进一步提高材质的抗磨
性能,延长磨辊的使用寿命,但是过量会导致材质韧性下降,脆性增大,机械性能
恶化, 一般C含量控制在 2.5%一2.8%之间;② 合金元素铬是碳化物形成元素, 能
提高铸铁耐磨性,防止出现石墨组织,适量的铬可以生成理想的碳化铬,其具有很
强的硬度,如果铬含量较低, 形成M3C 型的碳化物, 不利于耐磨,铬很高时, 很
容易形成M 26C 7 型碳化物,不仅降低耐磨性而且消耗大量的合金,一般Cr控制在
22 % 一28% 之间。
辊面材质对磨损的影响归根结底还是磨辊材质的耐磨性,其他因素都不同程度
地在材质的耐磨性中体现出来,材料的耐磨性除与硬度有关外,还与材料基体组织
形式、碳化物或耐磨质点的形态、 分布和数量有密切的关系。
3.1.2磨料特性
一、 磨粒大小
磨辊产生表面疲劳磨损,主要是由于形状不规则的煤粒在磨辊表面进行反复的
犁沟、碾压,导致裂纹形成和扩展,最后以片状磨屑断裂脱落,这与磨粒的粒度大
小相关。吴清国等人在研究磨粒尺寸对磨料磨损过程的影响的过程中,得出存在一
个临界磨粒尺寸,直径大约为 100u m ,在临界磨粒尺寸以下,随着磨粒尺寸的增大,
金属的磨损增加,在临界磨粒尺寸以上, 随磨粒尺寸进一步增大,磨损仅以很缓慢
的趋势增加或略有下降。这是因为当磨粒直径小于 IOOum ,随着磨粒的增加,尖端
半径增大,在相同的压入深度时面积损失增大,造成磨损增加,但当直径大于 IO0u m
时 , 随着 | 尖 | 端 | 半 | 径 | 增 | 大 ,磨 | 粒的 | 承 | 载能 | 力 | 增 | 大 ,使 | 得 | 被 | 磨 | 面 | 压 | 强 | 减 | 小 ,压 | 入 | 深 | 度 | 减 | |||
小 ,其程度超过随压入深度的 | 增加导致的 | 面积损失的 | 增加 ,所以磨损趋势增加缓慢 | ||||||||||||||||||||||||
或 | 略 | 有下降 | [,,一:202。 |
二、 石英及铁矿石含量
往60 目无烟煤中分别加入占60 目无烟煤含量5% 、10% 、巧%石英砂,作为实
验用磨料进行磨损实验, 加载载荷为98N ,实验结果如表3一3所示129 ]。
表 3一3 不同 | 华 | 北电力 | 大 | 学 | 硕 | 士 | 学位论 | 文 | 验结果 |
石英含量的 60 目无烟煤磨损实 |
磨料
相对耐磨性 磨损系数
加入石英含 实际石英含 摩擦系数p平均失重g
K(x 10 一,
量% 量%
60 目无烟煤 0.78 0.5 6 03 7 8 4 l4哎.2月
5 5.7 4 0.6 5 1 .0 9 6 9 0.3 5
10 10.70 0.67 2.0711 0.18
1515.66 0.663 .096 10,12 9.08
从表中可以看出随着石英含量的增加磨损量在增加,通过大量的实验数据我们
得到石英砂含量和磨损率呈线性关系, 如图3一6所示。
。,飞卑
7 。5 | 1 0 | 1 2 . 5 | 1 5 |
石共珍含t(%)
图3一6 煤中石英砂含量与磨损率的关系
与先前的磨损率与磨料粒度关系线图相比,我们看到磨损率与石英含量的线性
关系更加明显,石英含量的不同比粒度不同对磨损的影响要大得多,这是因为石英
很硬而脆, 易破碎,煤破碎后粒度愈细,则石英含量愈多,其对磨损的作用掩盖了
粒度的作用, 因此可以把不同磨粒对磨损的影响归结到煤中石英含量对磨损的影
响 , 我们也可以通过变化煤中的
3 .1.3 运行工况
石英含量来研究磨辊磨损的变化。
M P S 磨煤机制粉系 | 统的出力是根据锅炉负 | 荷的 | 需要调整给煤量 ,给煤量是制粉 |
系统的关键 ,磨煤机冷 、热风调节门的开
度, 需要通过给煤量的变化进行调节,使
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得磨煤机的风量及出口温度与制粉系统的出力相适应。
MPS 磨煤机制粉系统出力包括磨煤出力、干燥出力和通风出力。
(l)磨煤出力是指磨煤机本身的研磨装置对磨的碾磨能力,M P S 型磨煤机碾磨
能力主要取决于工作转速、磨辊数量、加载方式、加载力大小、原煤粒度以及要求
磨出得煤粉细度、 可磨性能力等。
的 | (2) 干 | 燥 | 出 | 力 | 是 | 指 | 干 | 燥 | 剂 | 对 | 煤 | 的 | 干 | 燥 | 能 | 力 | ,在 | 给 | 煤 | 量 | 一 | 定 | 的 | 情 | 况 | 下 | , 与 | 干 | 燥 | 剂 | ||
温度等因素有关 。 |
(3) 通风能力是指气流对煤粉的携带能力。在给煤量一定时, 与风流量、煤的
干燥程度、所要求的煤粉的细度有关。
MPS 磨煤机制粉系统的出力,需要系统的磨煤出力、干燥出力、通风出力相协
调,在最佳工况下互相平衡才能高效、低耗产出锅炉所需要的煤粉。如果这些工况
条件达不到预定的要求,就会严重影响到磨煤机的出力,加剧了磨辊等制粉系统设
备的磨损。
3.1.4 接触形态
磨辊、煤层、磨盘处于三体磨料磨损状态,如果将煤层看成是一个具有一定厚
度、 宽度的整体,那么在未磨损前, 磨辊与煤层属于线接触,, 随着磨辊磨损的加
剧接触形式变为点接触。如果从微观角度来说,从一个煤粒对磨辊的磨损研究,那
么此摩擦副系统属于点接触。
3.2 磨辊磨损机理的分析
3.2 .1磨损机理的初定
摩擦是摩擦副表面在相互滑动中发生能量转换,并产生能量损耗的过程;而磨
损则是由摩擦副之间力学、物理、化学作用造成的表面损伤和材料剥落。根据表面
相对运动形式的不同,摩擦系统零件的磨损机理也不相同。物体表面的相对运动的
基本类型为:滑动、滚动、冲击、摆动,根据当今的摩擦学原理,按照表面作用、
表面层变化和破坏形式等三个方面的情况通常将磨损分为四类:表面疲劳磨损、磨
粒磨损、粘附磨损、摩擦化学磨损。针对各类磨损可以将材料磨损损伤机制归纳为
切削(犁沟)机制、勃着机制和疲劳机制等3种典型机制130 卜13〕。
在任何一种不同的相对运动中四种基本磨损机理中可能有一种或几种机理起
作用, 一般来说,都是磨损机理的综合。在实践中,要确定在给定情况下什么类型
的界面磨损机理在起作用常常是困
难的。惯常用来检查的给定磨损情况下起作用的
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磨损机理类型的方法是研究磨损表面的外观。在表3一4中列举了因四种基本磨损机
理造成的表面损伤的某些典型特征。
表3一4 磨损表面外观
磨损机理 磨损表面外观
表面疲劳磨损 裂纹, 点蚀
磨粒磨损 擦伤,沟纹, 条痕
粘附磨损 锥刺, 鳞尾, 麻点
摩擦化学磨损 反应产物(膜, 微粒)
根据上面对中速磨煤机工作原理的叙述可以知道,经过破碎的原煤由落煤管进
入中速磨煤机磨盘,磨盘在中速的转动,煤受到离心力作用向四周运动, 与磨辊和
磨盘接触。这时,磨辊受到切向摩擦力而滚动,那么磨煤机摩擦系统的零件相对运
动的基本类型为滚动。丛相州通过对中速磨煤机磨辊磨损表面的扫描电镜分析,发
现材料表面有明显的犁沟、裂纹。贾建民、齐纪渝、谢敬学在对中速磨煤机磨辊磨
损表面宏观和微观形貌的观察和分析中表明磨损表面存在有切削沟槽和犁沟,以及
在沟两侧有脆化微裂纹, 如图3一7所示。
(:)磨损表面的宏观形貌特征 (b)珍锁表面的徽观形貌特征
图3一7 磨辊磨损表面宏观、 微观形貌特征
磨辊表面出现以上的形貌特征从微切削机理方面解释, 显微切削磨损分为四
步, 如图3一8所示。 图3一8(a)所示为小攻击角的尖锐磨料磨损的典型工况。 与刨
床刨削金属的情况相似,当磨料有足够的硬度和一定的冲击力时,可发生典型的“微
切削”,且得到卷曲状磨屑。如果磨料足够硬,且攻击角足够大,则产生图3一8(b)
的犁沟变形磨损。无论哪种切削磨损,都会被后继的磨料碾压、抹平或再切削、在
犁沟, 如图3一8(c)所示。犁沟和塑性变形坑降低了表层材料的强度和连续性。煤
在材料表面反复进行犁沟、碾压,导致裂纹形成和扩展,最后以片状磨屑断裂脱落,
如图3一8 (d)所示。
… ___ _ .__ … 华月些丝丛燮醚登鱼丝二一一一一一一一一
一变形层一犁沟
图3一8 微切削机理示意
经过这些试验的观测和分析, 并对照表3一4我们可以初步确定中速磨煤机磨辊
的磨损类型为表面疲劳磨损和磨粒磨损。在接触疲劳磨损中磨屑的生成是典型的疲
劳机制过程,磨辊研磨物料过程属于接触磨损过程,其磨损机制当以疲劳机制为主,
虽然磨辊大都是由于产生大量磨屑而引起最终的断裂而失效的,但是疲劳磨损失效
是磨粒磨损的不断积累而产生的, 因此,在后续的建模工作中我们使用磨粒磨损机
理作为理论依据[32卜134]。
3.2 .2 磨损机理沿磨辊宽度方向的变化
通过对磨损的磨辊进行观察,磨辊外侧,具有明显方向性,呈波浪状,峰谷走
向与磨辊径向近似平行,磨辊内侧和宽度部位切削方向紊乱,磨辊外侧受切削
磨损作用比内测内测强烈,磨痕严重, 切削方向集中。从运行特性来看,磨辊的转
动属于从动,主要是靠煤层与磨辊间产生的滑动摩擦力带动,而这种摩擦力主要产
生于磨盘线速度大于磨辊线速度的 | 外侧接触区 ,所以磨辊外侧部 | 位受到磨料的定向 |
滑动切削作用就远比其内侧和宽度处要强。从磨煤机自身的结构特点分析, 由
于磨盘旋转过程中的 | 离心力的 | 作用 ,磨盘轨道外侧煤积聚量较多 ,所以磨辊外侧受 |
到煤料的挤压和磨损程度就大于内侧。综上所述,磨辊磨损机理沿宽度方向变化的
这种趋势是由磨煤机本身的运行特性和结构特点决定的。
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3.3 本章小结
本章在对己有研究成果的深入了解和认识,以及对大量文献数据的统计对比的
基础上,对磨辊磨损的影响因素和磨损机理进行了分析总结,得到了以下一些结论:
(1)在对材料硬度、 磨料特性与磨损率的关系研究中, 我们得到材料的硬度和
磨损率成非线形关系;随着磨料中石英砂含量的增加,磨损率呈线形降低,这些结
论都是经前量实验证明的较为成熟的理论,我们可以将这两个结论作为后续工
作中验证数学模型可靠性的判断依据。
(2)通过对不同系列磨辊及同一系列, 不同制造工艺的磨辊磨损率的对比,得
到辊面材质对磨损的影响归根结底还是磨辊材质的耐磨性,而材料硬度是影响材质
耐磨性的主要因素。因此在建模过程中,将材料的硬度作为磨损过程的主要影响因
素予以考虑。
(3)在磨料特性对磨损过程影响的研究中, 我们探讨了磨粒大小和石英砂含量
对磨损的影响程度,我们看到磨损率与石英含量的线性关系更加明显,石英含量的
不同比粒度不同对磨损的影响要大得多,可以把不同磨粒对磨损的影响归结到煤中
石英砂含量对磨损的影响。因此,我们将石英砂的含量作为数学模型中的另一主要
参数。
(4)通过对磨辊磨损表面的宏观、 微观观察, 及与四大基本磨损机理的磨损表
面特征的 | 对比 ,我们得到中 | 速磨煤机磨辊的磨损机理以疲劳磨损为主 。疲劳磨损是 |
使磨辊最终失效的直接原因,在磨损的过程中是磨粒磨损的不断积累才导致最终的
疲劳磨损失效的,磨粒磨损才是磨辊失效的根本原因,所以我们将磨粒磨损原理作
为建模的理论依据。
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第四章 磨辊磨损过程的数值模型建立
根据第三章对磨损因素和磨损机理的分析总结,本文主要是针对MPS 一190型这
种中速磨煤机的磨辊的磨损过程进行探讨,通过对磨损的三个阶段的特点的总结,
利用统计学知识建立了磨损的数学模型,进一步描述了磨损率与磨辊硬度及磨料特
性的关系, 为下文的仿真模型的建立和研究方法的验证提供了理论依据。
4.1磨损过程曲线介绍及磨损量关系式的建立
4.1.1磨损过程曲线介绍
机械零件的磨损实效常经历一定的磨损阶段。一般磨损分为三个阶段:跑合磨
损阶段、 稳定磨损阶段、 剧烈磨损阶段。 如图4一1所示。
暴恤J一’”损阶‘ 居弓烈磨损阶段
l声,
时间T
图4一1 磨损过程曲线
(l)跑合磨损阶段(图中0a段)。新的摩擦副在运行初期, 由于对偶表面的表
面粗糙度值较大,实际接触面积较小,接触点数少而多数接触点的面积又较大,接
触点粘着严重, 因此磨损率较大。但随着跑合的进行,表面微峰峰顶逐渐磨去,表
面粗糙度值降低, 实际接触面积增大,接触点数增多, 磨损率降低, 为稳定磨损阶
段创造了条件。为了避免跑合磨损阶段损坏摩擦副,因此跑合磨损阶段多采取在空
车或低负荷下进行;为了缩短跑合时间,也可采用含添加剂和固体润滑剂的润滑材
料,在一定负荷和较高速度下进行跑合。跑合结束后,应进行清洗并换上新的润滑
材料。
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(2)稳定磨损阶段(图中ab段) 这一阶段磨损缓慢且稳定,磨损率保持基本
不 | 变 ,属正常工作阶段 , 图 | 中 | 相应的 | 横坐标就是 | 摩擦副的 | 耐 | 磨 | 寿命 。 |
(3)剧烈磨损阶段(图中bc 段) 经过长时间的稳定磨损后, 由于摩擦副对偶
表面间的间隙 | 和表面形貌的改 | 变以及表层的疲劳 ,其磨损率急 | 剧增大 ,使机械效率 |
卜降 、精度丧失 、产生异常振动和噪声 、摩擦副
全失效 。
有 | 时 | 也 | 会 | 出 | 现 | 下 | 列 | 情 | 况: |
温度迅速升高,最终导致摩擦副完
(l) 在跑合磨损阶段与稳定磨损阶段无明显磨损 。 当表层达到疲劳极限后 , 就
产生剧烈磨损 , 滚动轴承多属于这种类型 。
(2) 跑合磨损阶段磨损较快 ,但当转入稳定磨损阶段后 ,在很长的一段时间内
磨损甚微 ,无明显的剧烈磨损阶段 。一般特硬材料的磨损( 如刀具等) 就属于这一
类 。
(3) 某些摩擦副的磨损 ,从一开始就存在着逐渐加速磨损的现象 , 如阀门的磨
损就属于这种情况 。
4 .1.2 磨损量关系式的建立
磨损量的大小我们用体积量来表示 ,我们设磨损过程中零件总的磨损量为 V,
跑合磨损阶段的磨损量为玲,稳定磨损阶段的磨损量为氏 ,剧烈磨损阶段的磨损
量为巧,则有
卜VP+ 心+ 巧 (4 一
(l) 跑合磨损过程中 , 被磨损的体积对单位滑动距离之比, 必须是接合点处金
属体积变量的函数 , 于是
式 | 中犷‘ 一 | 接 | 合 | 点 | 的 | 体 | 积 | ; | d 不,’众 = 一a F | (4 一2 ) |
s— | 滑动 | 距离; | L n 卜一as + e ; 或 F = e(一aS +cl ) | |||||||
a— | 与载荷有关的常数 。 |
当 s= 0 时 , 求得的巧是滑动距离为零时的接合点原来的体积 , K 二e,
常 | (2) 稳 | 定 | 阶 | 段的 | 磨 | 损 | 体 | 积 | VP = V0(l一e一aS ) | (4 一3) | |||
从磨损过程曲 | 线图上可以 | 看出 ,稳定阶段图线为一条斜向 | 上的直线 ,斜率为一 | ||||||||||
数 , 我们可以把图 | 线用数学 | 表达式 | 表示出来为 |
d 不d ,二b
两边积分得
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Vw二bX s
综上所述, 零件总得磨损量方程式为
V= V0(l一e一aS)+ b x s + 代
4.2 磨损过程数值模型的建立
通过前面对磨损机理的分析,我们可以知道磨辊的磨损实际上煤粒对磨辊表面
的不断犁沟和切削,导致磨辊的解除接触疲劳磨损,类似于刀具的切削磨损,属于
硬材料的磨损一类。这类的磨损过程的特点为跑合磨损阶段磨损较快,但当转入稳
定磨损阶段后,在很长的一段时间内磨损甚微,无明显的剧烈磨损阶段。这样,我
们可以把磨辊的磨损过程分为跑和磨损阶段和稳定磨损阶段[35 卜138 ],省略了第三项
巧。
则磨辊磨损过程中磨损量的方程式为
犷=气(1一e一aS)+ b x s (4一4)
根据前面对显微切削磨损的四步磨损微观过程的介绍,我们可知这四步是切削
和推挤、碾压和抹平、断裂和剥落交错发生的,周而复始最终导致磨辊的磨损失效。
在这个过程中,多种机理共同作用,各种磨损机理的物理、数学模型又不相同,我
们将多种机理放在一起去建立数学模型是很难的, 所以我们做了如下的假设。
我们将微观理论应用到宏观角度来看, 由于磨损开始时,新的磨辊表面的组织
结构形式还没有遭到破坏,未经过研磨的磨料硬度较高,磨粒粒度较大、比较尖锐,
经过前期的磨损后,磨辊表面形貌特征主要以犁沟和脊隆为主,主要以磨粒磨损为
主,我们把这个阶段定位为跑合阶段。 随着磨损时间的延续,磨粒被磨圆、锐度降
低,颗粒粒度变小,这时磨料又将磨痕和脊隆碾压、 抹平,磨辊表面出现裂纹, 表
面层剥落等现象, 主要以碾压疲劳磨损为主, 我们将这个阶段定位为稳定阶段。
图4一2 单磨粒磨损的几何模型
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跑合阶段以磨粒磨损为主, 那么根据单磨粒磨损的几何模型, 如图4一2所示。
假定一圆锥硬磨粒在碾磨压力尸的作用下压入较软的金属中,且在切向力的作用下
在软金属表面滑动了dl的距离,犁出一道沟槽,假若沟槽中的金属全部成为磨屑,
则当s=0 时
:·奋、一奋一t叭“奋二r’t叭“ | (4 一5) |
p明吮rZ
式中月‘-一磨粒的硬度, HV
一 单个磨粒的半径,
气二一汀r
3tan o ·工3二一lz(’与H ‘勺_
则跑合阶段的磨损量为
、合二一号八(l一“
稳定磨损阶段d刃de为一个常数, 又知在整个磨损过程中, 总磨损量与总摩擦
距离的比值为材料磨损率I,在每个微元处我们也认为d不7ds二b,在给定的载荷和速
度的条件下,对于每种材料, 它是一个常数。则稳定阶段的磨损量为
心=b X s
犷T ,_ 二1 万_ 一界 (‘二P )3习/‘K。_(,,l一e 一a S、+ . b,x s | 的 | 关系 ,设磨煤机 | ||||||||
3 | ‘H ‘ | |||||||||
我 | 们建立数学 | 仿真的目的 | 是想寻求磨 | 损量与 | 运行时间 T 之间 | |||||
在运行过程中的 | 转速为 N,磨盘与磨辊的节圆 | 直径为 D , 则 |
S= 兀DN r
(月)”,e(卜e一DN T )+bx~ (4一6)
4.3数值模型中参数的确立
4.3 .1磨辊相关结构尺寸的计算
为了简单明确,这里我们选用M PS 一190型中速磨煤机作例,进行简单说明。
M PS 一190 型磨煤机代表符号的含义为:
M:磨机, 英文Mil第一个字母M;
R 摆动, 英文Partn er 第一个字母P;
S:盘子, 英文Ship第一个字母S;
19 0:表示 | 磨 | 盘 | 节圆 | 直 | 径为 19 00 m m 。 | 式 | 求出 | , | ||
(l) 磨辊尺寸计算 | 磨 | 辊尺寸 | 可由下列公 |
华 | 北电力 | 大 | 学 | 硕 | 士 | 学 | 位论 | 文 |
J=0 .778 D
D一一磨盘节圆直径 (mm )。
节圆直径即磨盘与磨辊切点轨迹直径 。 对于 | M P S 一19 0 | 型磨煤机 |
J二0.778 D = 0 .778 X 190 0 = 148 0 们。pn。
(2) 磨 | 辊 | 宽 | 度 | 可 | 由 | 下 | 式 | 求 | 出 | , |
B= 0 .34d
将MPS 一190型中速磨煤机的结构尺寸和技术参数列于表4一1中
表4一1M PS 一190型磨煤机的参数
磨盘节圆 磨辊直径磨辊宽度 磨盘转速 额定出力 最大出力 电动机
直径 DFmax 功率尸
190 0 rnn l 148 Orn幻匡 49 0 111111 26 .sr /m in 36 t/h 52 t/h 40 0 k w
4.3.2 已知参数的确定
在实际工况条件下, 系数a、b与碾磨力p 有关系。 下面我们通过实际试验结
果来确定这些参数值。
我们将望亭电厂30万千瓦发电机组配备的国产MPS 一190型磨煤机的相关参数
已在前面列出,现将望亭电厂使用煤质分析列于下表
表4一2 煤质分析
CY % H Y % O Y% NYoo sy%w yoo AYoo Yr% Q yd(KJ/kg) K ox 10一,
52 .7 3.95 0.85 0.90 8.5 30 28 20 4 4 5 2.43
在实际工况下磨辊的碾磨压力p因受物料层厚度,物料粒度大小等因素的影响
而难以精确计算。所以一般采用经验公式在各规格磨煤机间作比较,其计算公式下
[39]一【42].
P= B X d X Pa
B— 磨辊宽度,m ;
沙一一磨辊直径,m;
尸一 磨辊单位压力系数。Pa一4、lo4k创扩。
根据表4一l中给定的数据, 我们可以计算得p=0 .49 、1.48 x4 、104=2 90 08 k g
望亭电厂使用的为山西设备厂生产的 CrZO 铸铁磨辊, 材质硬度为 70OH V ,综
合以上的求解结果,将确定的已知参数列于表 4一3 中。
碾磨力 p | 数的 | 磨辊硬度 H | 华北电力 | 大学 | 硕 | 士 | 学 | 位 | 论 | 文 | 磨盘转速 N | 磨料磨损系数 Ke | |||
表 4 一3 己知参数 | |||||||||||||||
磨盘节圆直径 D | |||||||||||||||
7 0 0 H V | 1 9 0 0 rnrn | 2 6 .s r /m in | 2 .4 3 | ||||||||||||
2 9 0 0 8 k g | |||||||||||||||
4 .3 .3 相关 | 参 | 拟 | 合求 | 解 |
一、 实际磨损量数据的处理
A、B、C 三个该种型号的磨辊在M PS 一190 型磨煤机中的磨损状况见表4一4。
表4一4C rZ o 铸铁磨辊磨损状况
运行时间 (h) A辊的磨损量(~ ) B辊的磨损量 (rn们。 C辊的磨损量(~)
98 1 11 1 0 12
25 0 6 2︸2‘25 J,
5120 3 5
70 4 6
三个磨辊材质和相关性能我们认为完全相同,在同样的工作环境下,所以我们
可以把A、B、C三个磨辊在相同时间下的磨损量认为是同一磨辊在在同一时间点
处测量三次所得磨损量,为了保证后序曲线拟合工作的准确度,我们先对这些数据
作一简单处理
为了确保能拟合准确, 我们要保证测量点的精密度, 将偏差较大的点剔除掉,
下面以512 0h测得的三个数据为例进行处理, 处理过程如下:
令hl=3 0mm ,hZ=35mm,h3=4 2m m,则其平均值为
h= (hl+ h Z+h3 )/3= (30 +35 +42 )/3二35 .6 7 ror。
标准偏差为
丫 | 艺(X 一牙),_ } (30一35. 67),+(35一35. 67),+(42一35. 67), = 6 .0 2 8 n 一1 V 3 一l |
相对标准偏差
RSD= s/h =6.0 2 8 /3 5 .6 7 =0.169 0
那么, 我们分别对三个数据进行判断, 它们的相对偏差不大于相对标准偏差,
就认为其为好值, 反之, 需要剔除掉。
rsdl一!(人一人l)/人,一I(35.67一30)/35.67 ,一0.1590<天sD,此点为好点。
rsdZ一}(人一人2)/人}一}(35.67一35)235.67 }一0.0157<天功,此点为好点。
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rsd3一}(人一h3)/人}一}(35.67一42)/35.67 }一0.1775>尺胭,此为坏点,剔除掉人3点。
hl、h:为好点, 那么我们对h;和hZ求平均值,作为磨辊在运行了slZ Oh时的
磨损量,其值为犯.smm,我们需要的是磨损体积量,磨辊的表面积为1.24x l护mmZ,
这里忽略磨损过程中表面积削减,换算成磨损体积量用于后序的拟合处理。其他时
间点的数据处理过程同理,将处理结果列于下表4一5中
表4一5 数据处理结果
运行时间A 辊的磨损量B 辊的磨损量 C 辊的磨损量 平均磨损量 磨损体积量
(h) (们n幻n) (nlr。) (nu 力)(m 3 )
去9引月U06 ll 10 l2 ,2 0.0 136 7
口1
22 易吐除23 2飞 0.0 2 7 9 6
30 3 5 易叮除 0.0 4 0 3 8
52 易吐除50 0.0 6 3 3 7
二、 拟合求解未知参数
(l)拟合求解工具软件的选择
MAT LAB 语言是由美国人Clev e Moler于1980 年研制的,它对后来的控制系
统的理论及计算机辅助设计技术起到了巨大的推动作用。 因为该语言使用极其容
易。且提供了丰富的矩阵处理功能,所以特别适用于控制系统的研究设计, 目前已
成为国际控制界最流行的软件。它同时也是一个开放的系统,有多个针对某一个专
业领域的工具箱。MAT LAB具有专门的曲线拟合工具箱,有可以用于曲线拟合的内
建函数,Mathwb rks 公式也提供了很多工具箱可以用于曲线拟合,这些方法可以用
来做线性或者非线性曲线拟合。MAT LAB 开放的曲线拟合工具箱,是专门为数据集
合进行曲线拟合而设计的,它可以用于参数拟合,也可以用于非参数拟合。有了曲
线拟合工具箱为我们求上述系数提供了便捷的方法,利用该工具箱还可以评定拟合
性能, 给我们一个方便而直观的求解过程。 鉴于MA I,AB 曲线拟合工具箱便捷的
求解方法和友好的人机交互界面等特点,顾选用该软件对数学模型中的未知参数进
行求解。
(2)未知参数的拟合求解过程
式 (4一6) 是型为卜A (l一e一Bx)+cx 的函数, 其为一个一元非线性曲线, 使
用MA I,AB 的曲线拟合工具对磨损量数据拟合计算,我们将拟合过程中需要的数
据列于下表中。
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表4一6 拟合过程中使用数据
H DN运行时间 磨损量
材质K C
(kg) (HV ) (m) (r/s) /T(s) /v(m,
35 3 1 6 0 0 0.0 1 3 6 7
90 2 1 6 0 0 0.0 2 7 9 6
Cr20 30 6 0 0 70 0 2.4 3 1.9 0.4 4 1 7
18 4 3 2 0 0 0 0.0 4 0 3 8
25 3 6 5 6 0 0 0.0 6 3 3 7
使用MATLAB 的曲线拟合工具箱,可将拟合出来的系数、拟合特性、拟合曲
线以及实验数据点一并输出,这样就可以方便我们分析拟合结果是否理想,我们将
Result窗口中的语句给出,包括误差平方和(ssE )、RZ、修正过得RZ、解的均方误
差(RMSE )。
拟 | 合 | 结 | 果: |
Genera lm o d el:
F(t)= l/3 *P i.A(一l/2)*(2 90 0 8/700 ).A(3/2 )* 0.002 4 3 *(l一exP(一a*P i*1.9* 0.4417*T ))+ b*Pi*1.
9* 0 .4 4 1 7 * T
Co efieients(with95 % eo n fidenee b o u n d s):
a= 5.8 8 le一00 9 (fixedat bou nd)
G o o d n e ss o f fit:
b= 4.4 8 6 e一010 (fixedat bo un d)
SS E :0.000 187 7
R一squ a re:0.859
Adju sted R 一square:0.4 2
RM SE :0.006 8 5
根据输出的拟合特性 ,S S E 是拟合值与实际值误差平方和 ,这个值越接近 0 越
好; R 一squ are 表示拟合的成功率 ,这个值越接近1 越好; A djusted R 一squ are 这个值
也是越接近1 越好; R M S E 表示拟合所得系数的
均方误差, 这个值越接近O越好。
根据以上的叙述和所得结果 ,我们的拟合结果还是比较理想的 ,这样我们就得出了
数学模型中的待定系数 a= 5 .88 1e一0 0 9 、b 二4.4 86 e一0 10 , 则数学模型确定为:
V = 1/3 *P i.A (一l/2 )*(2 9 0 0 8/7 0 0 ).A (3/2 )*0 .0 0 2 4 3 *(l一ex P (一5 .8 8 le一0 0 9 *P i* 1.9 *0 .4 4 17 *T ))
+ 4 .4 8 6 e 一0 1 0 * P i* 1 .9 * 0 .4 4 1 7 * T ( 4 一7 )
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二}}! !} }{ {l l! !r尹尹
— 拟合合合
V 勺妞T T
分分淤
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下「-一}-/:一-一}一’一
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一i-{ ll 一 一’一下一‘一一 - }}
ZZ Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z
图4一3拟合曲线与实测点
4.4 磨辊磨损过程数学模型的验证
我们通过MATL A B 验证磨辊硬度变化对磨损量的影响,与实际实验所得图线
作比较来验证我们的数学模型是否具有分析价值。
我们将硬度从100 ~1000HV 划分为10个点,数学模型的其他参数不变,在磨
损时间达到7000 小时的一个体积磨损量随着磨辊硬度增大的变化曲线。 在
M AT LAB 中编制程序求得曲线图如图4一4所示[43 1。
图4一4硬度与磨损量的关系拟合曲线
图3一2是在实验的基础上得出的材料硬度与体积磨损率的关系曲线图, 本图为
硬度与体积磨损量的关系曲线图,虽然纵坐标表示的量有所区别,但是它们的趋势
基本相同, 从图示我们可以看出, 磨辊硬度从 IOOHV 到SOOHV 增大时, 磨辊的磨
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损量急剧下降,磨辊的耐磨性增强;硬度在 SOOHV 到7OOHV 阶段,磨辊的磨损量
下降缓慢;当磨辊硬度由 700HV 继续增大时,磨辊的磨损量基本不变, 根据分析
我们可以进一步验证硬度与磨损量不是线性的关系,硬度并不是衡量材料耐磨性的
指标,所以一味的增大硬度,并不能明显的改善磨辊的耐磨性,反而会使成本增加。
前面我们还提到了磨料中石英的含量对磨辊磨损的影响,在这里我们也用这个
数学模型验证一下。60目无烟煤中分别加入5% 、10% 、15% 的石英后, 磨料的磨
损系数K。分别为0.00 119 、0.0 034 5 、0.00 652 、0.00 90 8 ,其他数值参数不变,通过
编制程序,我们可以得到在磨辊运行时间为7000h 时,体积磨损量随磨料磨损系数
变化的规律, 结果如下图所示刚卜145 ]。
图4一5磨料中石英含量与磨损量的关系拟合曲线
图3一6是在试验机上磨辊一定时间后得到一个关系图, 因为实际试验的工况条
件, 与我们在MATL A B 中设定的工况条件不同,所以这里的横、 纵坐标的数值不
同,但是它们之间的关系是相同的,都成线性关系,进一步验证了不同磨粒对磨损
的影响可以归结到煤中石英含量对磨损的影响,我们也可以通过变化煤中的石英含
量来研究磨辊磨损的变化。
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第五章 磨辊磨损过程数值仿真模型的建立及应用
5.1M AT L A B 仿真技术与应用简介
5.1.1系统仿真技术概述
在进行系统仿真的过程中,系统是系统分析研究的对象,模型是系统分析中能
够表现系统本质的一种描述。此外,模型也是系统仿真、分析、控制和优化的基础。
而系统仿真技术则是建立在模型基础上的一种实验方法。理解了系统、模型等基本
概念之后才能够全面而准确地理解系统仿真技术。
模型是系统的一种抽象描述,是通过反复对系统进行分析研究而得到的系统的
内在联系及其与外界的关系的一种描述。在进行系统仿真时用到的模型主要是实体
模型和数学模型,本文在进行系统仿真时采用的模型是数学模型。数学模型是指对
系统进行抽象、 简化, 能够准确表达系统本质的由数学符号表示的一种模型形式。
数学模型具有形成简单、应用方便、经济,便于使用计算机技术等优点,所以在系
统仿真中通过模型描述系统时一般都采用数学模型146 1。
5.1.2M AT L A B 仿真技术的特点与应用
MATL A B 经过长期不断地发展和完善,已经成为当今世界上最优秀的数值计算
软件,受到了人们的广泛欢迎。除了具有强大的科学计算功能和丰富的图形功能之
外,还具有一些其他软件无法比拟的功能和优点:(l)能够便捷地和其他强大的计
算机软件相结合;(2)具有较高的计算精度, 能够满足科学计算和工程的要求;(3)
具有源程序的开放性和功能齐备的软件工具包;(4)语言简洁紧凑, 程序设计流程
灵活, 易学易用, 扩充能力强。
随着M AT L A B 版本的不断更新, 功能不断完善, 今天己集数值计算、 图形可
视化、 图像处理以及多媒体技术于一身,在航天、 航空、 军事、经济、 交通、 自动
控制、通信、信号处理、系统优化设计等众多领域得到广泛的应用。现在,MAT L A B
已经成为过内外大学生和研究生进行学习以及科学研究时必须掌握的基本软件工
具,在设计研究和工业部门,MATL A B 也广泛应用于研究和解决各种实际的工程问
题 。
5.1.3SIM U L IN K 工具箱简介
M AT L A B 除了上述的 | 特点外 ,还提供了系统动态仿真工具箱 | 一一 SIM U L IN K 。 |
其使得M AT L A B 的功能得到了进一步的扩展。SIM U LIN K 是用M AT L A B 语言建立
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的一种新型的图形建模工具, 由模块库、模型构造及指令分析和演示程序组成,是
一个模块化、模型化的系统动态仿真环境,它免去了程序代码编程带来的低效与繁
琐,既可用于动力学模拟,也可使用于控制系统的设计,各种功能模块化,用户应
用 sIMU L IN K 对系统进行建模、仿真、分析时如同堆积积木一样简单方便,只需
在模型窗口中直接用鼠标拖放模块, 建立信号连线进行建模[47 卜[49 ]。
sIM ULIN K 是以模块进行建摸,控制系统和控制对象可以分别进行建摸,每一
个子模块的参数可以单独修改,不影响其他模块的运行,从而给系统的扩展带来方
便。 由于被控对象的模块化、标准化,采用不同控制模块可以对比不同控制方法的
优劣,从中选择最佳的控制算法。SIM ULINK不能脱离MAfL AB 而运行,但
是它借助M ATL AB 在科学计算上得天独厚的优势以及可视化的仿真模型窗口, 弥
补了传统软件工具的不足。同时,SIMULINK 也是众多仿真软件中功能最强大、最
优秀的一种软件工具。它使得动态系统仿真的实现相当方便,对系统的非线性因素
的和随机因素的研究也十分便捷、直观。通过 SIM UL取K 还可以对电气、机械、
通信等的连续、离散或是混合系统进行深入的系统建模、仿真与分析研究。正因为
MATL A B/ SIM ULINK 具有了众多其他同类软件不具备的优点, 所以受到国内外学
者和工程师的备加关注,得以不断地扩充和迅速发展,成为当今世界在科学计算和
系统仿真领域里首选的软件工具。
5.2 磨辊磨损过程仿真模型的建立
5.2 .1SI M U LINK仿真模型的创建
通过上面使用数学模型对两种影响因素对磨辊磨损量的影响的分析结果,该数
学模型在分析一些磨损规律上与实际试验所得结果还是比较吻合的。因为我们所得
的数据有限,对该模型的可靠性的检验还有待以后进一步的考证,那么我们先使用
该模型对磨辊的磨损过程利用MAT LAB 的sIM u LIN K 模块进行动态仿真[50 ]。
仿真模块是创建 sIM U LIN K 仿真模型的
基本单元, 是SIM U L IN K 进行动态系
统仿真的基础 。用适当的方法创建所需要的仿真模块并将其相互连接起来 ,就构成
了一个系统模型 。 有时 , 为了构造系统模型需要对仿真模块进行一系列的操作 。
首先打开 sIM u L IN K 模块库 , 把所需要的模块通过复制等操作放在创建模型
窗口。这个系统所需要的模块有输入源模块 ,包括: 十个常数信号模块 (C o ns tant )、
一个时钟信号模块; 数学模块,包括: 五个乘运算模块 (P rodu ct)、 两个数学函数
模块(M ath F u n etion )、一个增益模块 (G ain )、一个加运算模块 (A d d )、一个乘除
运算模块 (D ivide )、一个加减运算模块 ;接收器模块 ,包括 :一个示波器模块( s cop e )。
然后根据磨辊磨损系统的数学模型,对各个模块进行参数设置。其中,将增益
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模块(Gain) 的放大倍数分别设置为l/3*P i.气一1/2)七0.188 ,十个常数信号输入源模
块分别输入磨辊的硬度H、磨盘节圆直径D、磨盘转速N、碾磨压力p、磨料磨损
系数Ke、系数a、b、常数1、3/2、7t,完成各项参数设置后点击OK按钮即可。
仿真模块参数设置完成之后,就需要连接各个模块之间的信号线了。为了连接
信号线方便,可以先对模块进行旋转操作,然后再进行信号线的连接。信号线连接
完毕的系统模型如图5一1所示。 设置信号线的标签属性, 如图5一2所示。
XX X X X X X X
于于XX X X X X X X X X X X X X X
70 7 0
3口
·O O O O O ·O O O O O O O O O O | ·C ·· | 1 1 | X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X |
〔〔习习
1.0 1 0
·C ·- - | X X X X X X X X X X X X X X X X X | X X | 。 .。 . |
X X
·C··
图 5 一1 连接信号 | 线之后的 | 磨辊磨损过程的 | 仿真模型 |
XX X X X X X X X X X
X X X X
口口
一一一一一一
.u.uu
口口 | X X X X X X X | x x |
XX X X
口口 | 图 5 一2 磨辊磨损过程的 | 仿真模型 |
华 | 北电力 | 大 | 学 | 硕 | 士 | 学 | 位论 | 文 |
建立好系统模型,进行完系统模型的调试后就可以进行系统仿真。在进行系统
仿真之前,先设置仿真的起始、停止时间及处理选项,然后在仿真模型窗口的菜单
栏中执行simu latio可start命令,即可以开始系统仿真。仿真结束后双击 Seop e 模块,
即可以看到系统的在指定输入情况下的磨损量与时间的关系曲线。在下面一小节中
将 | 详细针对 SIM U LI N K 的 | 动态仿真过程做一介绍 。 |
5.2.2 SIM U L IN K 动态仿真
一、 系统模型调试
为了确保建立的系统仿真模型的正确性,在进行 sIMU L IN K 动态仿真前, 先
使用 SIMU L IN K 调试器检查模型中可能存在的错误。 一般,SIM U L IN K的调试方
法有两种,即图形界面调试器和命令调试。命令调试法能够较为灵活和快捷的检查
出模型中的错误 ,但相对于命令调
试法来说,图形界面调试器对于初学者比较简单,
容易掌握 ,在这里主要使用图形界面调试器来调试模型[S ]。
使用 S IM u LI N K 图形界面调试器来查找仿真模型的错误较简单和方便 。 在模
型窗口的菜单栏中执行To ols/s im ulink d eb u g g er 命令 , 如图5一3 所示 , 则会启动
S IM U L IN K 图形界面调试器, 如图5一4 所示 。
}}分“奋件,-卜妇口口 cl c二. 11
赢赢_ _ _ 赚蒸二赢旅庶二
ex ecuted 按钮 ,龚 ,
分别选择输入源模块和数学模块 , 单击 o isp lay x/0 图 5 一3 s IM U L E 呵
将在所选模块运行前设置显示点 , 当K 调试器启动项吧4 图形界面调试器窗口
模块被执行时显示它的输 o f seleeted b lo ek w h en闷闷
. . ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~
同同 遗r血o叮n一主t t i恤.. . --
旦叩o r t G . . . . t盯盯
入和输出 ,然后单击按钮 s t耐 e on tinu e ,) ,开始运行仿真 ,单击 s tep to n ex t b lo ek
按钮 , 阅 , 对系统进行逐步地运行仿真 , 将每一步的运行过程及各模块仿真过程
的输入和输出值显示在右侧 o utp uts 信息框中 , 这样便于检查各运行模块是否达到
既定的目的 ,并能 | 够明 | 显地得知出错的 | 位置 ,便于对仿真模型做进一步的修改和完 |
华北电力 | 大学硕 | 士学位 | 论 | 文 |
善。
使用上述方法调试磨辊磨损过程的仿真模型,在逐步运行仿真过程中发现和运
算模块Ad d 输出的结果出现负值,和运算模块输出的结果即为此运行时刻磨辊的总
磨损量, 其输出值为负值是不符合实际运行情况的, 如图5一5所示。 通过使用
SIM U L IN K 调试器中的分步仿真功能键 ,对每个模块的
输入、输出进行查询,发现
问题出在常数信号输入源模块 a 的设定值 ,因其未将负号输入而导致 A dd 模块输出
结果错误 ,通过修改模块 a 的设定值后输出结果得以纠正 ,如图 5一6 所示 。 完成对
磨辊磨损过程仿真模型的调试修正后 ,下一步就可以运行该模型进行仿真了 。
[口二?2田印 1 0:21 sa ..咏一ut:一t j o r’d. 叭a:r峨z h司人时{、 _ ~ 」0 : 2 1 5. ,o u t,ut,..,j 0 r‘don砂‘f助‘Ih耐“『
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严 ’少哪川~ 1 ~ ]
叭 : 〔一以艾巧1以7袋盯书谈众络书]声1 二L D .区忆司弓1 2弓洲s 扣1肠5下」
图 5一S A dd 模块的错误输出结果
二 、 系统模型的运行仿真
图5一6 修改后Ad d 模块的正确输出结果
对一个模型进行完整地仿真 ,一般需要设置仿真参数 、开始运行仿真和查看仿
真结果三个步骤 [,2卜r 53z。
(1) 设置仿真参数
在模型窗口菜单栏中执行 s im u lation zs im u latio n p aram eters 命令 , 打开仿真参
数设置对话框 。在该对话框中可以完成对各项仿真参数的设置 。在这里设置仿真的
起始 、终止时间和最大步长 ,其它使用默认值 。起始时间设为 0s ,因为磨辊一般的
使用寿命在 80 00一10 0 0 0h ,所以这里终止时间设为 36 0 0 00 0 0 5,最大步长为 7 2 0 0 0 0 5 。
(2) 运行仿真
在完成仿真参数的设置后 ,就可以开始运行仿真了 ,可以使用命令 、 窗口还有
组合按键运行仿真 。在仿真运行过程中 ,如果打算停止仿真运行过程 ,在“仿真模
型” 窗口的菜单栏中执行s im u latio 可s top 命令 。
(3) 查看仿真结果
的 | 双击示波器 S co Pe 模块 ,即 | 可以看到 | 系 | 统的 | 在指定 | 输入 | 情况下的 | 磨损量与时间 | ||
关系曲线 , 其中横坐标为 | 运行时间 , 纵 | 坐 | 标为 | 体积磨损量 , 如图 5一7 所示 。 |
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图5一7 磨辊磨损过程的仿真结果
5.3 磨辊磨损过程仿真模型的应用
将基于MPS 一190 型磨煤机磨辊磨损过程的仿真模型应用到实际生产中,通过对
仿真结果的分析,验证该仿真模型的实际应用价值;通过改变运行工况来观察输出
结果的变化, 通过对仿真结果的分析来观察各影响因素对磨损的影响。
5.3 .1磨辊磨损过程的仿真模型的实际应用
使用华能南通电厂磨辊的实际磨损过程数据,来验证该仿真模型的可靠性。华
能南通电厂使用的是M PS 一型磨煤机,磨辊材质是高铬铸铁, 原煤特性其给出了
具体分析结果,下面将实际的运行工况、结构尺寸及磨料特性等参数列于表5一1中,
其具体的计算过程参照第四章4.3 节。
磨盘节圆直径 D | 表 5一1 实际 | 运行工况及结构尺寸参数 | 磨料磨损系数 Ke | |
磨盘转速 N | 碾磨力 p | 磨辊硬度 H | ||
8 9 0 刀n 们。 | 0 .6 3 9 8 r / s | 6 5 2 0 K g | 7 0 0 H V |
将这些实际运行工况参数及结构尺寸值输入到对应的常数信号输入源模块中,
如图 5一8 所示红色方框表示的模块为需要输入已 | 知参数值的 | 模块 , 输入相应的参数 |
值后点击开始按钮运行仿真,运行仿真结束后,双击示波器模块查看输出结果,如
图5一9所示。
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图 5 一8 实际工况参数输入
5 .3 .2 仿真结果分析
图5一9 实际工况参数下的仿真结果
华能南通电厂M P S 一 型磨煤机磨辊实际运行过程磨损量如下表 5 一2 所示 , 由
于需要将磨辊从磨煤机中拆除出来才能进行磨损量的测量 ,这样必须使磨煤机停止
工作才‘能进行这项工作 ,进而会影响到整个电厂的运行 ,所以,只能利用停车检修
的时间进行测量 , 这样就使得测量数据相对较少了15 4 】。
表 5 一2 实际运行体积磨损量
运行时间(s) 磨损量 (m ,
8 2 8 0 0 0 7 .7 1 5 e 一0 0 5
1 6 2 0 0 0 0 0 .0 0 2 3 4 4
2 5 2 0 0 0 0 0 .0 0 3 3 4 4
3 6 0 0 0 0 0 0 .0 0 4 4 7 3
4 8 1 6 8 0 0 0 .0 0 5 3 4 5
5 7 6 0 0 0 0 0 .0 0 6 1 1
6 5 8 8 0 0 0 0 .0 0 6 6 7 5
7 2 0 0 0 0 0 0 .0 0 8 6 6 4
8 5 8 9 6 0 0 0 .0 0 9 1 4
9 3 6 0 0 0 0 0 .0 0 9 8 5
1 1 0 8 8 0 0 0 0 .0 1 0 2 5
1 4 0 0 4 0 0 0 0 .0 1 2 9 2
1 4 4 0 0 0 0 0 0 .0 1 3 2 8
1 5 3 1 4 4 0 0 0 .0 1 8 2 8
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使用MA I,LAB的绘图功能得到了如图5一10所示的MPS 一型磨煤机磨辊磨损
过程的实际运行结果和仿真结果曲线,对比图中曲线可以看到仿真结果曲线和实际
运行过程的曲线存在误差。 引起这样的误差一方面是由于在建立数学模型的过程
中, 没有全面地考虑各种影响因素的影响;另一方面是由于该仿真模型是基于
MPS 一190型磨煤机建立的,适用范围具有一定局限性;此外磨损过程是个复杂的过
程,在整个过程中磨辊的硬度、磨料的特性、碾磨力是时刻变化的,在建立数学模
型时没有考虑这方面的影响,也是造成误差的一个原因。
!。! 盖玉奋抽. 粉一蔽飞压一之5 谕‘凌鱿八姗飞翻.. 于‘一户味 、 .一 ll
琴琴l旱_哪 92 谬】褥】汉皿脚!翅巴万L山二一二二
图5一10 实际运行结果与仿真结果曲线
鉴于上述产生误差的原因,对今后的分析研究工作提出以下建议:加强对磨辊
磨损量数据的跟踪记录和统计,加大对同类型磨煤机不同工厂运行数据的统计和记
录,因为在实际的磨损过程中磨辊的硬度是不断变化的,磨辊的碾压力也是需要不
断调整的,可以从这几个方面对磨辊磨损过程的数学模型和仿真模型做进一步的修
正和完善[55]。
为了进一步分析影响磨辊磨损的各影响因素的作用情况,通过有规律的改变输
入工况参数来观察仿真结果的变化,在这里重点分析磨辊硬度和磨料特性,下面分
别进行仿真分析。
(l)磨辊硬度
在硬度的常数信号输入源模块H中分别输入 100 、20 0 、300 、400 、70 0 、100 0
几个磨辊硬度数值,其他的常数信号输入源模块的输入值不变,这样得到一组仿真
结果曲 | 线 , 如下图 5一11一图 5一16 所示 。 图 5一17 为不同 | 硬度磨辊的仿真结果 。 |
圈 | 回 | 矍 |
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| 2 | 25 | 3 | 3.5 | 4 |
1
X10
图 5-17 不同硬度磨辑的仿真结果 二般磨辘允许的磨损厚度为 O.08m ,即允许的体积磨损量为O.02925m3 。通过 对以上仿真结果图形的分析,磨辑硬度为 IOOHV 时,磨辑的使用寿命为 2778b ,磨 | |
棍的使用寿命很短。当磨辘硬度增加到 | 200HV 时,磨损率明显下降,磨辑使用寿 |
命增加了两倍为 5000h,随着硬度的增加磨损率逐渐下降。但当硬度从700HV 继续 |
增加时,磨损率基本保持不变,这与第四章4.4节中使用MATLAB拟合得到的硬度与磨损量的关系相符,与前人通过大量实验得出的经验和规律也吻合。整个仿真的过程只需要几分钟的时间,即省时又省力,而且可以自动记录仿真数据,供给后序分析工作使用,仿真结果直观,具有一定的分析精度,也进一步验证了使用动态仿真软件来模拟实际生产过程的可行性。
|使用寿命A | |
10000 8000 6000 4000 2000 o |
100"' - 200 300 400 700 1000 硬度HV |
图 5-18 磨棍硬度与使用寿命的关系 |
38
蒙鉴团.吸.暇日困.基鬓哄翩正刃赓
仓鲜
践目O任
/
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图5一23 磨料磨损系数为5的仿真结果 5一24 磨料磨损系数为6 的仿真结果
在第三章分析影响磨辊磨损过程的影响因素中提到磨损率与磨料中石英含量呈线性关系,在相同的原煤中分别加入不同量的石英砂,原煤的磨损系数发生了变化,所以研究磨料中石英砂含量对磨损率的影响时,可以通过变化磨损系数的值来分析磨损量的变化。在第四章中使用M AT L A B 拟合磨损量与磨料中石英砂含量的关系, 我们得到了与实际理论相符的结果,本章使用M AI,LAB 的仿真功能研究磨损系数与磨损量的关系, 得到如上几个仿真结果图, 当 K e=2 时, 磨辊使用寿命为90 2 8h ;当Ke= 3 时,磨辊使用寿命减少为 860Oh;当Ke=4 时,磨辊使用寿命为 805 5 h ;当 Ke= 5 时, 磨辊使用寿命为 750 0h ;当 Ke=6 时, 磨辊使用寿命为 722 2 h 。随着磨料磨损系数的增加,磨损量增加,磨辊使用寿命基本成等距下降。
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图5一25 为不同磨料磨损系数与磨损量的关系曲线,相邻两条线基本成等间距,
从图中可以分析出磨料磨损系数与磨损量成线性关系,这与实际理论相符合,验证
了仿真模型的可靠性。根据仿真结果绘制出图 5一26 磨料磨损系数与磨辊使用寿命
的关系图,通过对不同磨损系数的磨料作用下,磨辊磨损过程的仿真结果的分析,
我们得到图5一26 磨料磨损系数与磨辊使用寿命的关系曲线,结合图5一25 的分析结
果,针对当地煤种情况和各厂的资金投入规模,尽量选择磨损系数低,媒质较好的
煤种。
使使用寿命hh
110 0 0 0 00
8800 0 00
6600 0 00
440 0 00
220 0 00
00
磨损系数Kee
图5一26 磨料磨损系数与磨辊使用寿命关系图
5.4 本章小结
本章在前文对影响磨辊磨损的因素和磨损机理分析的基础上,和在建立磨损的
数学模型之后,在M AT L A B 的SIM U L IN K 工具箱平台上建立了磨损过程的仿真模
型,使用该模型对实际工况条件下的磨辊磨损过程进行的仿真,通过分析不同硬度
磨辊和不同磨损系数的磨料条件下的仿真结果,为实际生产过程中磨辊硬度和煤种
的选择提供了参考依据。
通过对比仿真得到的不同硬度磨辊和不同磨料磨损系数与磨损率的关系曲线
与实验得到的关系曲线,进一步验证了该研究方法的可行性和数学模型的可靠性,
并针对产生误差的原因, 为以后进一步的研究工作提出了意见和建议。
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第六章 结论与展望
6.1论文的相关结论
磨辊是磨煤机的关键部件, 它的使用寿命直接影响到整个制粉系统的运行周
期。在对磨辊磨损过程的研究中,磨损因素和磨损机理的确定是一个重要问题。选
择合适的磨辊硬度和煤种能够提高磨辊的使用寿命。 把仿真技术应用到磨损过程
中,不但降低人力、物力和财力的耗费,而且能够为磨辊和磨料的选择提供一定的
参考依据。 目前国内外对磨辊磨损问题的研究尚未建立起完备的理论,对于磨损过
程的影响因素和磨损机理还没有得到清晰的认识。磨辊磨损问题的研究己成为制粉
系统乃至整个燃煤电站运行过程稳定性的关键问题之一。基于以上原因,本文通过
对文献数据的统计、 分析和仿真模拟相结合的研究方法, 并结合前人的研究成果,
对磨辊磨损过程开展了研究。
论文的相关结论为以下几点:
(l)通过对前量文献数据的统计和分析, 总结得出磨辊硬度与磨损率呈非
线性关系;根据不同系列磨辊及同一系列,不同制造工艺的磨辊磨损率的对比结果,
得到辊面材质对磨损的影响归根结底还是磨辊材质的耐磨性,而材料硬度是影响材
质耐磨性的主要因素。在磨料特性对磨损过程影响的研究中,我们探讨了磨粒大小
和石英砂含量对磨损的影响程度, 我们看到磨损率与石英含量的线性关系更加明
显,石英含量的不同比粒度不同对磨损的影响要大得多。 因此,将这两个影响因素
作为数学模型中的参数。
(2)通过对磨辊磨损表面的宏观、 微观观察, 及与四大基本磨损机理的磨损表
面特征的对比 ,我们得到中 | 速磨煤机磨辊的磨损机理以 | 疲劳磨损为主 。疲劳磨损是 |
使磨辊最终失效的直接原因,在磨损的过程中是磨粒磨损的不断积累才导致最终的
疲劳磨损失效的,磨粒磨损才是磨辊失效的根本原因,所以我们将磨粒磨损原理作
为建模的理论依据。
(3)将建立的数学模型对磨损过程的拟合结果与上诉理论分析的结果对比, 结
果表明拟合结果与理论分析结果吻合,证明了建立的数学模型具有一定可靠性,可
以较为真实地从某些方面反映磨辊的磨损过程。
(4)将基于MPS 一190型磨煤机建立的仿真模型用于其他型号磨煤机磨辊磨损过
程的仿真,通过对仿真结果的分析,表明该仿真模型具有一定的通用性,验证了文
中所提出的研究方法的可行性。
论文以传统研究方法为基础的统计学方法为研究思路, 使其更加贴进生产实
际, 主要特点是:
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(l)研究方法的创新。使用以传统研究方法为基础的统计学方法,对文献数据
进行统计和分析,建立磨损的数学模型,利用仿真技术建立磨损的仿真模型,再将
仿真模型应用到实际生产中,为磨辊选型和磨料的选择提供更加贴近实际的参考依
据。
(2)数学模型的建立。对磨辊磨损过程的数学描述国内外还没有针对性的数学
模型,本文通过对磨损影响因素和磨损机理的分析,在深入了解磨损过程的三个阶
段的磨损率特点的基础上,建立了体积磨损量与运行时间的数学模型。
(3) 实际应用价值。将仿真技术应用到磨辊磨损过程的实际生产中, 通过向模
型中输入特定的工况条件,通过仿真分析为磨辊硬度和磨料的选择提供参考依据,
避免了使用传统的实验方法而带来得过大的人力、财力和物力的浪费。
6.2 未来研究工作的展望
磨辊磨损过程中的影响因素除了本文所讨论的这些还有很多,在磨辊磨损机理
方面还需要更加深入的研究。 由于时间和条件的,本文未能进行其余部分的研
究。因此,作者认为对于中速磨煤机磨辊磨损过程的仿真研究还可以围绕下面几个
方面进行。
(l)对磨辊磨损过程中的影响因素进行深入分析, 明确磨辊的磨损机理, 在分
析磨辊磨损的过程中,尽可能全面地将各种影响因素考虑进去,使得分析更为精准,
同时加大各类型设备在实际运行中数据的跟踪、 收集和积累。
(2)在建立数学模型的过程中,应考虑磨辊硬度、 碾磨力等影响因素随运行时
间的累积而不断变化的情况。
(3)在对磨辊磨损影响因素分析的基础上, 不断改进和完善磨辊磨损过程的数
学模型和仿真模型。
的 | 仿 | (4) 可以考 | 虑 | 使 | 用 | 其 | 他 | 仿 | 真 | 软 | 件 | 进 | 行 | 磨 | 辊 | 磨 | 损 | 过 | 程的 | 运 | 行 | 仿 | 真 ,对比 | 多 | 种 | 软 | 件 | |||||||||||||||||||||
真 | 结 | 果 | ,通 | 过 | 分 | 析 | 为 | 以 | 后 | 的 | 仿 | 真 | 软 | 件 | 的 | 选 | 择 | 提 | 供 | 指 | 导 | 性 | 建 | 议 | 。 |
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本论文得以顺利完成是与 | 华 | 北电力 | 大 | 学 | 硕士 | 学位论 | 文 | 分不开的 ,在 | 研究生学习 | |||
致 | 谢 | |||||||||||
导 | 师李 | 林副教授的 | 悉 | 心指导 |
阶段,严谨地治学态度,渊博的知识,孜孜不倦的工作热情都深深地影响着
我,在学术上给予了我极大的鼓励,在生活上也给了我无限的关怀。在此谨向尊敬
的导师致以衷心的感谢!
感谢机械教研室全体老师在论文期间对我的帮助和指导,特别是齐纪渝老师给
予我的大力支持和耐心指导;感谢全体机械研究生同学及张磊光师兄在学习期间给
予我的帮助;感谢在研究生期间给予我关怀和帮助的所有朋友们。
感谢我的家人和男朋友对我的鼎力支持和关怀,感谢他们给予我的无私付出。
华北电力大学硕士学位论文
【l]潘 | 晶 | 在学期间 | 发表的学术论文和参加科研情况 | 届 | 研 | 究 | 生 | 学 | 术 | |||||||||||||||||||
雯. 中 | 速 | 磨 | 煤 | 机 | 磨 | 辊 | 磨 | 损 | 因 | 素 | 的 | 分 | 析. 华 | 北电 | 力 | 大 | 学 | 第 | 六 |
交流年会, 20 0 8
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