預洗滌塔振動裝置故障原因分析及解決措施

谷海明，潘繼斐，胡 彬

（云南磷化集團海口磷業有限公司，云南 昆明 650113）

云南磷化集團海口磷業有限公司白酸廠2012年建成投產1套濕法磷酸凈化裝置，主要任務是生產工業級凈化磷酸。裝置分為凈化和濃縮2個工序。影響凈化磷酸品質和產量的因素較多，但核心在凈化工序。預洗滌塔是凈化工序控制產品指標的關鍵設備，其工作方式：由安裝在塔頂的振動裝置通過主軸帶動塔內件以一定頻率做上下往復運動，促使塔內兩相介質充分混合洗滌，達到工藝指標控制要求。預洗滌塔振動裝置由電機、減速機和偏心組件等組成。

預洗滌塔裝置建成投用后其功能基本能滿足工藝生產要求，但塔頂振動裝置故障率較高，振動裝置發生故障后，不能帶動塔內件上下運動，會明顯降低設備洗滌能力，影響產品指標；同時塔內物料因沒有攪動，沉積結垢速率加快，引起塔內件堵塞，明顯縮短凈化工序運行周期，降低凈化磷酸品質和產量。因此，降低預洗滌塔振動裝置故障率，成為提高凈化磷酸品質和產量的一個亟待解決的問題。

1 振動裝置故障原因分析

結合2013—2015年濕法磷酸凈化裝置運行實際情況，預洗滌塔振動裝置故障主要表現在3個方面：一是偏心飛輪組件主軸易斷裂（1年斷裂約8次）；二是電機和減速機壽命短，主要是配合處鍵槽損壞；三是偏心主軸中間滾動軸承易損壞（1年損壞約4次）。

1.1 偏心飛輪組件主軸斷裂原因分析

濕法磷酸凈化工序還配套建設有3臺與預洗滌塔結構完全一致的塔設備，其運行情況表明只要定期維護保養，除預洗滌塔振動裝置外，其他振動裝置在運行過程中基本不會發生故障，這表明該振動裝置結構形式在設計上是可行的。預洗滌塔振動裝置故障頻發的原因主要與其內部工況變化有關。

工藝分析：預洗滌塔內兩相介質在充分混合、洗滌過程中會反應生成硫酸鋇沉淀附著在篩板上，凈化工序運行時間越長，篩板上的沉淀物越多，導致振動裝置提升負載增大，當負載增大到超過偏心飛輪組件主軸承受極限時，主軸發生斷裂，振動裝置發生故障。而其他3個塔內不會發生此化學反應，振動裝置負荷基本不會變化，所以設備運行穩定。

1.2 減速機、電機損壞原因分析

減速機、電機損壞主要是指電機軸和減速機輸入軸配合處鍵槽損壞，引起傳動失效。原因分析：振動裝置由電機+減速機+偏心飛輪組件構成，通過連桿使塔內篩板做上下往復運動，由于篩板上下運動時連桿所需輸出的力矩不一樣，在極限位置存在較大的沖擊，且隨著篩板積料，振動裝置負載逐漸增加，沖擊也逐漸增大。因電機與減速機為鍵槽配合，無減振措施，導致沖擊傳到驅動端后只能靠彼此硬性碰撞消除，這樣給配合處鍵槽帶來非常大的破壞性，并產生很大的噪聲，長期運行，鍵槽極易損壞，導致傳動失效。

1.3 偏心主軸中間滾動軸承損壞原因分析

偏心主軸中間滾動軸承損壞大多表現為保持架斷裂，可能原因有3點：一是預洗滌塔振動裝置在使用過程中，因負載發生變化，軸承承載能力不足，發生損壞；二是塔內篩板上下運動時產生的沖擊，加速軸承損壞；三是軸承安裝過程中的施工缺陷。

2 解決措施

2.1 偏心飛輪組件主軸斷裂解決措施

因負載變化在濕法磷酸凈化工序是不可避免的，所以要解決偏心飛輪組件主軸斷裂問題，只能從提高主軸強度入手。為保障現場安裝尺寸不變，只需對主軸的強度進行重新設計即可。

2.1.1 偏心飛輪組件主軸強度設計

偏心飛輪組件主軸的原始設計尺寸如圖1所示，材質為40Cr（調質），實心軸。

圖1 偏心飛輪組件主軸原設計尺寸

根據結構形式，偏心飛輪組件主軸可簡化為簡支梁，兩端軸承為支點，最大受力點位于C-C截面上，最大彎矩也產生在C-C截面。因兩端軸承之間結構按C-C截面大體對稱分布，A-A、B-B距C-C截面近，彎矩大且可能存在因配合和圓角過渡引起的應力集中，故需要對這3個截面的最小軸徑進行計算并進行疲勞強度校核。根據軸的工作形式，強度設計應按彎扭合成強度計算［1］。

軸徑d（mm）：

彎矩M（N·mm）：

扭矩T（N·mm）：

F為篩板積料后最大重量減去浸泡在塔內所受浮力，約為300 000N；X為各計算截面到偏心軸左端軸承中心點的距離，mm；切應力校正系數α=1；查表得40Cr（調質）許用彎曲應力[σ-1]=70MPa。

驅動電機功率為90 kW，轉速為1 480 r/min，減速機速比為12，效率為0.95，代入公式（3）計算得傳遞給偏心軸的扭矩T=6 620 473N·mm。

將以上數據代入公式（1）、（2），可分別計算出：dmin（A-A）=99mm；dmin（B-B）=110mm；dmin（C-C）=126mm。

根據計算結果，發現主軸各危險截面軸徑均大于最小設計尺寸，表明偏心飛輪組件主軸設計尺寸在理論上可以滿足振動裝置正常工作要求。但偏心飛輪組件主軸在使用過程中斷裂較頻繁，且大部分從B-B截面發生脆性斷裂，分析原因主要有兩點：（1）軸徑由B-B截面過渡到A-A截面為偏心設計，有6mm的軸線偏差，導致偏心飛輪組件在極限提升位置存在動力沖擊，因塔板負荷不斷增大，軸所受的沖擊也不斷變大，這樣易降低軸的疲勞強度；（2）C-C截面過渡到B-B截面，尺寸變化較大，存在圓角，易產生應力集中，削弱軸的抗拉強度。針對以上分析結果，為延長偏心軸使用壽命，決定將新軸各截面尺寸在原設計基礎上放大1.2倍，圓整后結果如圖2所示。

圖2 偏心飛輪組件主軸改造后尺寸

2.1.2 疲勞強度校核

原偏心主軸在實際運行中，易在B-B截面發生斷裂，所以尺寸改造后還需要對該截面進行疲勞強度安全系數校核。要求：危險截面安全系數S>許用安全系數［S］（1.5～1.8）。

安全系數S：

式中σ-1——材料彎曲疲勞極限，查表得335MPa；

M、T——危險截面上彎矩和轉矩，N·mm；

W、WT——危險截面上抗彎和抗扭截面模量，mm3，根據B-B截面形狀，W≈0.1d3=304 862.5 mm3，WT=2W=609 725mm3；

Kσ、Kτ——彎曲和剪切疲勞極限的綜合影響系數，查手冊分別取3.39、2.24。

將上述數據代入式（4），求得：SB-B=2.5>[S]，改造后軸的強度滿足要求。

2.2 減速機、電機損壞解決措施

振動裝置在運行過程中產生的周期性沖擊是導致減速機、電機損壞的主要原因，化解沖擊是解決問題的根本途徑。為此，白酸廠引進了一套型號為FGC17.0S的麥格鈉永磁渦流柔性傳動聯軸器，安裝在電機輸出軸與減速機輸入軸之間，取代了原來電機與減速機的剛性連接。這種傳動方式采用氣隙傳遞扭矩，做到能量的空中傳遞，這樣負載側的振動就不會傳遞到電機側，大大降低了剛性聯軸器的振動放大效應，可以有效解決因周期沖擊導致的減速機、電機故障問題。同時該型聯軸器安裝、維護簡單方便，可容忍較大的安裝對中誤差，最大偏差可達5mm，且沒有傳動效率的損失，永磁體主體部件設計壽命達20年，可靠性高，使用壽命長，所需維護工作量小，維護費用極低。

2.3 軸承損壞解決措施

針對軸承損壞原因，采取以下兩個措施予以解決：（1）重新選擇軸承型號，偏心軸尺寸改造后，中間軸承型號由22226改為22232，提高了軸承的承載能力；（2）規范軸承安裝，安裝前認真檢查軸承質量，安裝過程中，杜絕暴力施工。

3 改造效果

改造于2017年5月底完成，目前預洗滌塔振動裝置已運行了3年時間，除因軸承正常損壞檢修過2次外，振動裝置未發生偏心飛輪組件主軸斷裂及減速機、電機損壞的故障，設備在運行過程中的振動和噪聲明顯降低。此次改造大大地降低了設備故障率，有利于穩定生產，節約了檢維修費用，取得較好成效。