攪拌釜攪拌軸彎曲原因分析與對(duì)策

高 路 張秀蘭 張喜杰

(1.吉林化工學(xué)院；2.中石油吉林化學(xué)工業(yè)股份有限公司化肥廠)

攪拌釜廣泛應(yīng)用于化工工業(yè)中，用于制備均勻混合物，促進(jìn)傳質(zhì)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)，利用攪拌器使參加反應(yīng)的物質(zhì)充分接觸，提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)溫度等。攪拌釜主要由攪拌裝置、軸封和釜體3部分組成。攪拌裝置包括傳動(dòng)裝置和攪拌器，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過(guò)減速器減速帶動(dòng)攪拌軸以一定的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)攪拌功能[1]。

1 設(shè)備概況

某硝酸鹽裝置的攪拌釜利用攪拌器使Na2CO3和濃度小于30%的稀HNO3溶液充分?jǐn)嚢柽M(jìn)行中和反應(yīng)，目的是處理硝酸裝置產(chǎn)生的稀HNO3。該攪拌釜的攪拌器采用雙葉輪結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)為葉輪直徑大，轉(zhuǎn)速低，攪拌功耗小，攪拌強(qiáng)度適中，物料濃度分布均勻。攪拌釜的主要工藝條件為：

工作壓力 常壓

工作溫度 不高于90℃

工作介質(zhì) 碳酸鈉、稀硝酸

使用壽命 15a

攪拌器直徑 800 mm

介質(zhì)密度 1 200 kg/m3

電機(jī)功率 7.5kW

攪拌轉(zhuǎn)速 52 r/min

攪拌器為釜頂懸掛結(jié)構(gòu)，由主軸和兩組三葉片攪拌槳組成。主軸通過(guò)剛性聯(lián)軸器同減速機(jī)輸出軸聯(lián)接，輸出軸用30215滾動(dòng)軸承支撐，主軸材料為0Cr18Ni9，分別用普通平鍵與兩個(gè)攪拌槳和剛性聯(lián)軸器聯(lián)接，如圖1所示。該設(shè)備使用一段時(shí)間后，攪拌器的主軸出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，一年內(nèi)更換攪拌軸兩次，影響了生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

圖1 攪拌釜裝配簡(jiǎn)圖

該攪拌釜運(yùn)行期間出現(xiàn)的問(wèn)題有：

a. 攪拌軸從頂部插入，長(zhǎng)徑比大，間歇性操作，開(kāi)停機(jī)頻繁。

b. 釜內(nèi)物料進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，攪拌槳葉和流體物料間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生渦流，引起攪拌軸振動(dòng)；軸的長(zhǎng)徑比大、擺動(dòng)量大；進(jìn)料不均勻，粘度增大，壓力和溫度產(chǎn)生波動(dòng)，引起攪拌軸振動(dòng)。

c. 介質(zhì)反應(yīng)使工況發(fā)生變化，由于釜內(nèi)介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，壓力、溫度及物料形態(tài)等均隨時(shí)間發(fā)生變化，在壓力循環(huán)和冷熱循環(huán)的作用下，軸易產(chǎn)生變形。

d. 攪拌軸支點(diǎn)在上部，懸臂較長(zhǎng)，下部無(wú)支承，造成反應(yīng)釜工作時(shí)攪拌器軸的徑向跳動(dòng)量較大。

2 攪拌軸的校核

本攪拌軸(圖2)為懸臂軸，其力學(xué)模型如圖3所示[2，3]。

圖2 攪拌軸結(jié)構(gòu)尺寸

圖3 攪拌軸力學(xué)模型

2.1 按扭轉(zhuǎn)變形校核

攪拌軸在工作時(shí)傳遞的最大扭矩的計(jì)算值為：

式中Mmax——攪拌軸傳遞的最大扭矩，N·m；

n——攪拌軸的轉(zhuǎn)速，r/min；

PN——電機(jī)功率，kW；

η1——傳動(dòng)側(cè)軸承前的傳動(dòng)裝置效率，取η1=98%。

攪拌軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，扭轉(zhuǎn)角γ為：

式中G——軸材料剪切彈性模量，G=199GPa；

N0——空心軸內(nèi)徑與外徑比，N0=0；

[γ]——軸的許用轉(zhuǎn)角，(°)/m，對(duì)于懸臂軸[γ]=0.35(°)/m。

經(jīng)計(jì)算，扭轉(zhuǎn)角合格。

2.2 強(qiáng)度校核

攪拌軸承受扭轉(zhuǎn)和彎曲聯(lián)合作用，其中以扭轉(zhuǎn)為主，工程實(shí)際中常用近似方法進(jìn)行軸的強(qiáng)度計(jì)算。假定軸只承受扭矩的作用，用增加安全系數(shù)的方法來(lái)降低材料的許用應(yīng)力以補(bǔ)償忽略彎曲應(yīng)力所產(chǎn)生的誤差[1，3]。

攪拌器上的流體徑向力系數(shù)：

第i個(gè)攪拌器上流體徑向力：

懸臂軸及攪拌器和附件的組合質(zhì)量：

攪拌軸與各層圓盤(pán)組合質(zhì)量偏心引起的離心力:

攪拌軸及攪拌器組合重心至傳動(dòng)側(cè)軸承的距離:

徑向力引起的軸上彎矩:

MR=(∑FhiLi+9.81mw1Lesinα+FeLe)×10-3

=3848N·mm

軸向力引起軸上彎矩，MA=0N·mm

軸上彎矩總和:

M=MR+MA=3848N·mm

軸上扭矩:

軸上扭矩和彎矩同時(shí)作用時(shí)的當(dāng)量扭矩:

3 防彎曲對(duì)策

通過(guò)對(duì)攪拌軸的強(qiáng)度校核，考慮攪拌器的結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝條件等因素，在攪拌軸的兩個(gè)槳葉間增加滑動(dòng)軸承支承，以提高攪拌軸的強(qiáng)度，防止其發(fā)生彎曲變形。滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)如圖4所示，軸承座的材料為0Cr18Ni9，軸承座與軸瓦采用過(guò)渡配合，軸瓦材料為填充聚四氟乙烯，具有一定的自潤(rùn)滑性。改造后攪拌釜的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在攪拌器主軸兩槳葉間加上支承軸承后，在生產(chǎn)工藝條件和設(shè)備條件不變的情況下，經(jīng)校核符合強(qiáng)度要求，設(shè)備運(yùn)行兩年未發(fā)生彎曲現(xiàn)象，保證了生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

圖4 滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)

圖5 改造后攪拌釜的結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)對(duì)攪拌器攪拌軸的扭轉(zhuǎn)變形和強(qiáng)度校核的結(jié)果，對(duì)攪拌軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，解決了攪拌軸由于彎曲變形損壞而導(dǎo)致的頻繁更換的問(wèn)題，保證了設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行，減小了能耗，降低了設(shè)備運(yùn)行成本，減少了檢修費(fèi)用，每年可以節(jié)約10余萬(wàn)元。對(duì)類似設(shè)備的同類相關(guān)問(wèn)題具有一定的借鑒、指導(dǎo)作用。

[1] 王凱.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū).攪拌設(shè)備[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[2] HG/T 20569-94，機(jī)械攪拌設(shè)備[S]. 北京：中華人民共和國(guó)化學(xué)工業(yè)部,1994.

[3] 鄭津洋.過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2005.