C型转子式翻车机端环的事故修复与结构分析
龙振宇
张家口发电厂A厂 河北张家口075133
张家口发电厂一期工程4×300 MW燃煤发电机组配套的主要燃煤卸车设备，是1989年全套自美国DRAVO－WELLMAN公司引进的C型转子式双车翻车机。该设备采用C型转子、三梁两支撑（两端环），液压压车、靠车机构，拨车机调车方式，PLC控制，全自动操作，最大翻卸能力200t，作业循环周期133 s／次，每小时卸车54节，处于80年代世界先进水平，当时国内仅秦皇岛港二期煤码头安装使用，在火电企业为第一次安装使用。该翻车机全长29 m，转子直径9．2 m，全重约280 t，端环为C型，采用工字梁焊接结构，材料全部选用A3钢，中部开槽嵌入前梁（见图1），端环单重约30 t。
全套设备自1994年底投入运行后，即开始出现端环腹板开裂、内缘板焊缝开裂、前梁开口连接板变形等现象。1996年翻车机发生自行倾翻事故，1997年发生拨车机与端环后梁相撞事故，造成端环严重变形，经1个月抢修后恢复运行。
1 事故后翻车机损坏情况
1997年12月15日，拨车机在拨车臂未放至水平位置时开始加速前进，与翻车机后梁相撞，并带动两端环沿前进方向错位，造成端环轴向与径向两个方向的永久变形，形成变形位移量：进车端（A侧）水平方向243 mm，垂直方向－111 mm；出车端（B侧）水平方向279 mm，垂直方向－90mm。根据变形检查数据作得图2、图3变形曲线。
1．1 利用经纬仪对端环轴向变形进行检查
从变形曲线可以看出，两端环均于第18点、第10～11点处发生两次弯折，该两处恰为端环上部的两个薄弱区。因端环与后梁相连接，变形时受后梁牵制，1～11点间变形方向与整体方向相反。
1．2 径向变形
利用圆弧样板对端环外缘板进行圆度检查，发现亦于上述两薄弱区发生圆弧曲线变化，但主要变化集中于第18点附近。
2 对端环变形的修复
2．1 修复方案
分析端环变形情况，可以看出每侧端环变形主要集中在两点，所以将发生折弯变形部位进行修复、校正，可使端环恢复使用。
由于端环与翻车机三大梁相互连接，任一单独端环校正后都可能导致梁与端环不能正常连接，所以应对端环即对翻车机整体进行复位校正。提出以下两个方案对端环进行校正修复：
方案一：将端环在折弯部位割开，将两分离部分重新对位后再焊接组装。这一方案需制作重型支承及移位工装，且由于两端环内应力不一致，端环切割后很可能发生相对错位，使两分离部位不能再对位重合，因而放弃这一方案。
方案二：在保持翻车机整体结构不变动的情况下，在与变形相反的方向加力，迫使端环形状恢复。这一方案能保证翻车机整体结构的统一，因而予以采用。
2．2 修复方法
考虑修复方案和过程，首先对轴向变形予以修复，再对径向变形修复。
2．2．1 轴向变形修复方法
（1）用水平仪检测并将翻车机平台调至水平。将经纬仪置于翻车机侧适当位置，以翻车机平台中心线为基准，使之视面与其垂直，然后以端环上基准刻线检测端环各部位变形量，为火焰校正提供数据。
（2）限制翻车机旋转自由度，即在两端环底部左、右两侧用20号槽钢作支撑架，限制端环不得转动。
（3）限制翻车机轴向窜动。即在平台两侧与翻车机基坑间加斜铁，楔满其间隙。
（4）在两端环开口处用25号工字钢予以支撑，工字钢底与开口下端面焊固，顶部焊20 mm厚钢板，其上沿轴向各放置2根D30圆钢，并保证与开口上端面接触。此措施主要用于防止端环在顶部加热过程中后梁端因自重而发生的向下变形，而导致端环径向变形再次增大。
（5）将拨车机移动至出车端，并固定。将拨车机臂放下一定角度，并在侧面适当位置焊装轴向位置千斤顶支架，在后梁出车端与拨车机臂间放置两个30 t螺旋千斤顶，轮流操作两千斤顶向后梁加力，使后梁带动端环上部向进车端位移，直至复位。此工作需在端环上部变形部分火焰加热后方可进行。
（6）用火焰对端环上部折弯部位加热。拆除端环上部变形区的电缆、管道等（保留轨道），然后每侧端环分别由4个操作者各执一把烤炬同时对端环折弯主变形区对称加热。加热温度控制在500～550℃。加热时对端环上、下缘板加温要高，对腹板加温要低，尽量减少端环的径向变形。
（7）应以第18点处作为第一校正点进行加热校正，其次进行第11点处校正。
（8）注意修复过程中对端环轴向变形进行测量。
（9）向后梁加力时注意速度要快，单次行程要长，估算好反弹量，以尽量减少加热校正的次数。
经轴向校正后，端环变形得到较大程度的修复，根据实测数据作出图4、5。
从修复后实测曲线可看出，A侧端环轴向偏差21 mm，B侧轴向偏差31 mm，但变化发生于加热点第18点以外，说明主要变形点发生塑性变形后产生硬化，以及加热时未将应力完全消除。
2．2．2 径向变形修复方法
（1）在端环上部两侧及C型开口端用25号工字钢制作导向支承，防止端环受力顶起时产生轴向摆动。工字钢端面与端环边缘两侧各保留2mm间隙。
（2）在端环与后梁间加斜支撑，防止端环受力后应力释放，造成端环不可控的变形。
（3）在端环上回转轨道两侧焊接挡铁，限制轨道与端环表面的轴向移动。稍松轨道压板螺栓，以利于轨道与端环表面的周向位移。顶起到位后，紧固所有压板螺栓。
（4）在两端环C型开口处装设垂直与水平方向钢板尺，以便随时掌握移动行程。
（5）在两端环C型开口处各用一个100 t螺旋千斤顶顶起端环开口，使端环开口垂直张开。
（6）在两端环内侧接近开口处各用一个32 t螺旋千斤顶将开口处水平顶出，使端环开口沿水平方向张开。在垂直与水平方向共同作用下，使端环变形复位。
（7）千斤顶加力时，水平与垂直方向交替实施，并随前进方向在顶点与支承点间加垫，以便调整千斤顶与顶点间垂直方向相对移动带来的不良影响，使千斤顶失灵时不致急骤回弹。
（8）两侧千斤顶要同步操作，起升高度协调一致。
（9）顶起过程中经常用圆弧样板检查端环表面弧度与测量C型开口尺寸。
（10）顶起达到要求后，对端环主要折弯处（靠前梁侧）上缘板进行加热消除应力。严格控制表面温度在400℃左右。
（11）顶起达到要求、消除应力后，在该处端环两侧各加弧长约2 000 mm、半径1 500 mm、厚25 mm的扇形加强板，限制回弹及径向变形。加强板下料作法：在需加装加强板各处作样板，按样板下料制作，开坡口20 mm×45°。加强板放置到位后，应保证各处间隙均匀，并不超过2 mm。
经径向变形修复后，端环开口变形位移量恢复至A侧47 mm，B侧24 mm。
经如上修复后，翻车机系统于事故后25天恢复运行。
3 对端环的进一步调整
在翻车机恢复运行后半年内，对端环形状尺寸进行了连续监测，发现端环轴向尺寸基本未发生变化，但径向尺寸发生了较大变化，反映到C型开口尺寸变形位移量增加到A侧71 mm，B侧39 mm。再经半年运行，C型开口尺寸基本停留在以上数值，表明端环已处于稳定阶段。
在修复后，对翻车机事故前后运行情况作了比较，发现翻车机正常运行受到的影响主要体现在翻车驱动装置的频繁损坏上：频繁出现驱动装置底座、减速机底座开裂，减速机底角螺栓松动、断裂，甚至出现驱动装置整体掀起的现象。造成的原因有如下几点。
（1）因翻车机端环修复时在端环上焊接总重约3 t的加强板，增加了翻车机倾覆力矩，对整体平衡产生了影响，水平位置停车时不平衡力矩对驱动装置产生了大的冲击。
（2）翻车机加装加强板后除对平衡产生影响外，增加了整机转动惯量，在翻转起制动及高低速转换时，惯性的存在对驱动装置产生了大的冲击。
（3）驱动电机为双速：1 470、705 r／min，减速机速比51．29，采用低速起动、停车，高速运转。尽管如此，实际运行中从0～705 r／min～1470 r／min的2次阶跃仍显突然，使驱动装置整体产生较大的变形、晃动
（4）最重要一点，翻车机修复后，端环轴向与径向尺寸都有较大变化，连接其上的驱动齿条也随之发生变化，这种变化使齿轮与齿条啮合间隙逐步增大。观察发现，确实存在驱动装置在起制动过程中单侧受力的情况。实际测定，翻车机翻转至160°位置并停止时，齿侧隙最大增加至14～15mm（齿轮模数25），且两侧相差较大。这一变化导致翻车机翻转到160°并停车时，较大的侧隙和两侧侧隙不同引起驱动装置单侧受力情况发生。在单侧受力情况下，驱动装置起制动过程中承受双倍的冲击力，因而造成频繁损坏。
由上可知，调整好齿轮与齿条的啮合间隙会对改善翻车机整体运行状况起到重要的作用。端环变形带动齿条发生位移，从而导致齿轮传动“中心距”的增加，是造成啮合情况恶劣的主要原因。可采取在每一段齿条下加衬垫，调节每一段齿条的啮合间隙，来解决这一问题。
（1）测量每段齿条与齿轮啮合时的顶隙，每段齿条分三段测量，测出实际啮合情况如表1。
从表1可以看出，啮合顶隙有增大的趋势，且每一段齿条啮合间隙亦相差较大。
（2）根据顶隙测量的结果，按顶隙11 mm考虑，计算每段齿条下衬垫厚度（如表2），在计算衬垫厚度同时也应考虑顶隙值的平滑过渡。
经加垫处理后，测量全啮合过程，侧隙控制在6～2 mm之间。运行时起制动平稳，无单侧受力现象。经过一年的运行和监测，证实翻车机运行能力得以恢复。同时说明所制定事故抢修方案和调整方案成功地解决翻车机端环的变形和大直径齿轮齿条啮合不良的问题。
4 端环结构分析
翻车机端环截面为“工”字型结构，随各梁的安装及位置不同，截面形状和尺寸有较大的差异，并因考虑机车通行，在端环上造成几个薄弱区（见图1）。对翻车机投运后及发生的事故进行观察，发现翻车机端环存在一些问题。
4．1 翻车机端环强度与刚度不足
选材及结构方面，端环选用A3（Q235）钢板，从下至上腹板厚分别为36、22、18 mm，外缘板厚45、36、20 mm，内缘板厚45、36 mm，而36 mm厚腹板所在位置恰又是设置前梁的部位。为设置前梁，该处挖去一部分，受力面积急剧减少，严重降低了端环的强度。翻车机投产后不久，即1996年下半年，发现前梁外侧封口板因承受拉伸与压缩交变载荷，开始弯曲变形并拉长；1997年初变形量突然增大，弯曲弧面顶高约32 mm，足以表明端环强度与刚度的不足。
4．2 端环结构设计有欠缺
端环上腹板挖去的部分，设计上以联接上下内缘板的封口板（即曾发生严重变形的板）对端环进行补充，但实质上并未起到真正的作用。第一，该板选用25 mm厚的A3板，整体强度偏低，甚至螺栓孔被拉长、变形；第二，该板仅两端头与内缘板连接，构成固定的拉杆，受压时稳定性脆弱。同时，翻车机工作时端环整体处于数次拉、压交变过程中，该板失稳后发生弯曲，弯曲之后便彻底失去拉紧、补强腹板的作用。
端环腹板挖去一部分后，端环应力集中在为放置前梁而产生的4个90°折角处。且这些地方腹板均为36 mm厚，内缘板25 mm厚。这些部位恰设计成腹板制作90°弯角，与内缘板90°角焊缝焊接，更加重了应力集中的程度。1997年前后，多次在以上4个应力集中点发生腹板开裂、内缘板角焊缝开裂现象，最终不得不停机两周，对如上部分进行加强、补焊。
翻车机的工作过程是一个应力交变的过程。翻车压制车箱时，每只压车器压紧力为2．5 t，14只共35 t的力使端环受拉；翻转时250 t的自重与200 t的载重压在支撑轮上，使端环受压应力；翻转停止时，因后梁悬空在惯性带动下振动，又使端环发生剧烈的应力交变。频繁且较大的应力交变更使翻车机结构上的不足得以暴露。
了解国内现有同类型设备，秦皇岛码头二期翻车机亦存在相似的问题。该翻车机也是美国Dravo生产，采用O型端环，理论上结构强度应高于我厂翻车机。该台翻车机自1993年起出现与我厂翻车机相似的开裂问题，后每年都要进行多次修补，尽管如此，也越来越难以保证连续运行，最终经测试证实结构上存在缺陷，于1996年设计，1997年进行了改造，更换了端环与前梁，现正常运行。
5 设计、安装、维护方面的建议
翻车机、尤其是双车翻车机属重型机械设备，现代翻车机无论结构、液压驱动、微机控制方面都大量采用了新技术、新设备。同时，翻车机在火力发电厂中起着十分重要的作用，因而从设计、制造、安装、运行、维护等方面保证其优良的性能具有十分重要的意义。
在设计方面，除考虑整体结构强度外，还要充分考虑某些部位的应力集中情况，并采取措施尽量减少应力集中。选材方面，应保证材料具有足够的机械性能和耐候性。同时要注意到设备安装后因自重发生的应力应变。电气设计方面，在提高自动化水平的前提下，应不断提高设备安全性，保障设备安全运行。
在设备制造和安装过程中，应从整体上考虑，选择合理的制造安装工艺，确保制造安装不影响结构的机械性能。应保证制造、安装精度，保证设备运行后的使用性能。
使用与维护过程中，应经常对设备进行检查，摸清设备运行状况，尤其注意结构部分安装后变形情况的长期监测及趋势分析，注意对高承力部位的无损检验和高强螺栓的定期抽查，发现问题及早处理。慎重对待高承力部位及应力集中部位的电气焊作业，从而使设备处于最佳运行状态。
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