擠壓機減速箱低速軸定位螺栓斷裂原因分析與改造

張成瑞，葛柯柯，李軍，李科錄，盛海濤，謝佳

（新疆天利石化控股有限公司，新疆 獨山子 833699）

某異戊橡膠廠2臺進口擠壓機減速機低速軸尾部定位螺栓（材料牌號35CrMO，性能等級8.8，螺栓型式3/4＂×10×2-1/2＂孔用螺栓）在運行過程中曾頻繁（使用不到15天）發生斷裂，導致擠壓機竄軸，螺套及剪切板磨損，設備停機，險些發生事故。以下對定位螺栓斷裂原因進行分析，通過制定改進措施，改造效果顯著。

1 設備結構及工作工況

圖1 設備裝配示意圖

擠壓機用于脫除橡膠中的游離水，低速軸與擠壓機螺桿相連，低速軸依靠兩列背靠背的單列圓錐滾子軸承安裝在減速箱上，運行中低速軸承受拉應力，該螺栓通過定位壓板將低速軸固定于推力軸承上，安裝結構如圖1所示。

2 改進方案及分析

2.1 第一次改進

原設備采用性能等級為8.8的高強螺栓，在使用過程中6個螺栓全部斷裂，根據螺栓斷裂原因分析結果，認為螺栓的強度不夠，于是重新購買強度為10.9的高強螺栓。螺栓安裝后，運行不到1周，停機檢查仍發現3個螺栓斷裂。

對斷裂螺栓從斷口形貌、材質、強度等方面進行分析試驗：螺栓材質確認為35CrMO，經試驗強度大于10.9，并查閱同批次螺栓廠家合格證，符合螺栓標準要求，螺栓質量沒有問題。同時，從螺栓斷口上看，斷面無明顯縮頸、拉伸現象以及顏色變化，判斷強度不足不是螺栓斷裂的根本原因。斷口照片如圖2所示。

圖2 螺栓斷口照片

2.2 第二次改進及分析

通過第一次改進失敗及螺栓檢測，證明螺栓斷裂絕非螺栓質量和選型問題，需要從降低螺栓受力方面進行分析和改進。通過對定位壓板及螺栓的結構和尺寸、螺栓斷面分析，螺栓斷裂原因為定位壓板對螺栓產生剪切力，導致螺栓被剪切沖擊斷裂。

因橡膠特性及工藝原因，擠壓機負荷不穩定，導致定位壓板受到周期性軸向沖擊力，定位壓板與軸端面間的墊片被磨損擠壓變形、減薄，定位壓板和螺栓松動；同時通過對比測量定位板與螺栓尺寸，發現定位板上螺栓孔直徑（22mm）比螺栓外徑（19.05mm）大3mm，因間隙比較大，松動的壓板隨軸轉動中對螺栓產生了徑向剪切力，從而致使螺栓斷裂。因此，避免定位板松動、消減定位板對螺栓的剪切力是防止螺栓斷裂的根本。

通過對比干燥機減速箱主軸的定位結構，我們提出了在低速軸上加工大螺紋孔使用大螺栓（方案一如圖3所示）、大螺母（方案二如圖4所示）的結構型式，考慮到會改變軸的結構型式、受力及加工難度未曾實施。

圖3 大螺栓的固定方式（方案一）

圖4 大螺母的固定方式（方案二）

為不改變低速軸結構，避免出現新的缺陷，在定位壓板上設計直徑φ36mm凸臺，同時在軸頭上加工凹孔，使定位壓板凸臺與凹孔配合安裝，克服定位壓板的徑向移動；同時減小壓板上的螺栓孔直徑至φ20.8mm，定做定位螺栓為非全螺紋型式，與壓板配合的螺栓光桿部位直徑為φ20mm，減小螺栓與壓板上螺栓孔之間的間隙至0.8mm，克服了壓板的圓周運動，從而解決了定位壓板因徑向或周向運動時對定位螺栓產生的剪切力（方案三見圖5）。

圖5 改進后的定位壓板及螺栓裝配圖 （方案三）

為解決定位壓板及螺栓的松動問題，查詢設備隨機資料及單列圓錐滾子軸承的游隙調整規范，通過游隙調整墊片厚度的選用，將低速軸的軸向間隙調整至0.025～0.1mm，既保證了軸承游隙，又確保了定位壓板與軸頭的緊固合一，解決了定位壓板的松動問題。

同時對螺栓頭進行了改進，在單頭螺栓六角頭上鉆φ2.2mm的孔，當6個固定螺栓緊固后用φ1mm鐵絲將6個螺栓連為一體，加上彈簧墊片的作用進一步解決了螺栓的松動問題。

2.3 效果驗證

更換完新的定位壓板、定位螺栓、調整間隙墊片，重新安裝低速軸軸承，將螺栓緊固后穿鐵絲防松，運行一周后檢查螺栓無松動，通過滲透探傷未發現缺陷，繼續使用；運行15天后停機檢查無異常；后每運行30天后定期停機檢查定位螺栓和定位壓板無異常，每運行90天后更換調整墊片和螺栓。目前已將更換周期延長至5個月。近1年的運行中該螺栓未再發生過斷裂問題，徹底解決了擠壓機運行的瓶頸問題，為橡膠裝置的整體連續運行提供了保證。

3 結語

因設備實際工況與設計工況存在偏差，尤其是進口設備，技術精準，設備操作彈性較小，一旦出現偏差大的情況，將導致設備故障頻發，甚至無法正常運轉。因此在設備購置技術協議簽訂過程中，向廠家提設備參數和運行工況時，一定要準確全面。有條件的單位，最好實地考察廠家現役設備，摸清運行情況后，再做購買決定。在設備運行過程中，針對出現的故障，從功能、結構上進行分析，參照相關設備結構進行改造，能有效降低改造風險、縮短改造時間。

[1] 縣鵬宇,劉鋒.配對圓錐滾子軸承軸向游隙的設計與測量[J].ISSN1000-3762 軸承，2010,（9）.