MPS190型中速磨煤机磨辊磨损特性及过程仿真的初步研究

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

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

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

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

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

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

有效途径。

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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

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

化工等行业已有大量应用， 技术上已经成熟。

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。

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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。

改变运行工况， 以适应系统生产的需要， 且在调

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、