橡膠廠擠壓脫水機螺桿主軸斷裂原因探究及解決建議

馬志濤

(哈爾濱博實自動化股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078)

擠壓脫水機是合成橡膠干燥后處理生產線的關鍵設備，其主要的特點為設備體積小、占地面積小、控制方便、能耗低，采用漸開線齒輪傳動，具有噪音低、運轉平穩、承載力大，壽命長等特點。最初國內橡膠廠主要引進進口設備，國外的橡膠擠壓脫水機供應商主要有Anderson、French和Welding[1]。但進口設備在引進和使用的過程中出現了廠商受限、供貨周期長、價格昂貴等問題，所以設備或者其備件的國產化很緊迫。目前國內以哈爾濱博實自動化股份有限公司的橡膠后處理成套設備為主導。此次出現的問題是國產化的擠壓脫水機螺桿主軸在安裝使用18個月后發生了斷裂，本文針對此問題進行探究。

1 擠壓脫水機原理簡介

擠壓脫水機的主體結構包括：進料斗、主螺桿、錐筒體、直筒體、可調模板和出料斗[2]。含水率為40%~60%的膠粒由脫水篩經過渡料斗進入擠壓脫水機，螺旋的壓縮比使物料所受的壓力不斷提高，將分散在膠粒和膠粒之間的游離水清除掉，膠向前推進，螺距變化使物料受到的剪切力增加，溫度升高，水由各機體上的排水點排入排水槽。另外，通過機械銷釘剪切及筒體蒸汽加熱適當提高進入膨脹干燥機的物料溫度，為膨脹干燥做好能量儲備的基礎[3]。

2 觀察與分析

2.1 宏觀觀察與分析

由圖1~圖8觀察可知，主軸斷裂部位在緊定螺堵處，介于直筒體和可調模板裝置之間，斷裂處軸徑表面有明顯研傷，以及研傷形成的溝槽；可調模板裝置中的定位套內孔有明顯研傷，且端面有明顯凸起，定位套緊固螺釘頭有明顯的磨擦傷；轉動模板端面有明顯刮傷；各個螺套螺棱側面及剪切螺釘均有刮傷；筒體襯套有研傷。分析為剪切螺釘與螺套相互位置不正確，相互干涉；螺套與筒體襯套干涉、研傷；主軸與定位套內孔相互有研傷；轉動模板端面有明顯研傷，曾與切刀相干涉。

圖1 主軸外圓研傷

圖8 主軸斷口形貌

斷口垂直于軸線，呈脆性斷口特征，且有疲勞斷口的全部特征，說明該軸屬疲勞斷裂。從斷口形貌上看，符合低載荷、尖缺口、旋轉彎曲斷口形貌。

該軸為螺旋橡膠擠壓脫水驅動軸，在被動段通過鍵連接螺套在其外側的螺旋擠出裝置。正常工作時以承受扭力作用為主，在螺旋套偏心或填料不均勻的情況下，兩軸承間軸段有產生彎矩的條件。

圖2 定位套內孔及緊固螺釘

圖3 轉動模板端面研傷

圖4 螺套研傷

圖5 剪切螺釘研傷圖

圖6 筒體襯套研傷

圖7 螺套外圓研傷圖

2.2 檢測分析

檢測項目：可調模板裝置中定位套內孔相對可調模板裝置安裝止口的同軸度誤差；檢測設備：三坐標測量機；檢測內容：以Φ500(切刀側)和Φ420(筒體端)建立公共軸線測定Φ140內孔同軸，測定Φ140內孔共8點分別到中心距離。

檢測結果如表1所示。

表1 ?？渍{節裝置測量數據表

由表1可知：

（1）同軸度誤差1.193；定位套內孔直徑Φ139.5 (測量時按實際孔大小取整給的設定值Φ140)，實測：筒體 端Φ139.5+1.395(140.895)、Φ139.5+1.221(140.721)，切刀側Φ139.5+0.707(152.207)、Φ139.5+0.416(151.916)；

（2）從上面數據可以看出，主軸與定位套干涉，相互研傷，且筒體端定位套內孔磨損大，切刀側定位套內孔磨損小。

2.3 計算分析

（1）剪切螺釘與螺套螺棱干涉，即圖示上Z＜0(正常單側間隙10 mm），螺桿與筒體間的相對位置不正確，切刀與模板裝置間的間隙3 mm變小。

（2）剪切螺釘與螺套螺棱干涉，導致螺桿受徑向和軸向交變力，螺桿彎曲，螺套外圓與筒體襯套間干涉、摩擦；主軸與模板裝置上定位套干涉、摩擦；切刀與模板裝置間的間隙變小，甚至干涉。

（3）圖示螺棱與筒體襯套間間隙單側2 mm，主軸與模板裝置上定位套單側間隙0.75。假設只是螺桿中間一點受徑向力，簡化成幾何圖形，見圖9，計算結果如下：

圖9 主軸簡化幾何圖形

即螺桿彎曲，螺套外圓與筒體襯套間產生摩擦，勢必導致主軸與模板裝置上定位套產生干涉。同時，模板裝置上定位套磨損也符合簡圖上線性規律，即靠近彎曲中心，彎曲大，磨損大；遠離彎曲中心，彎曲小，磨損小；筒體端定位套內孔磨損大，切刀側定位套內孔磨損小，與數據分析測量的結果一致。

2.4 綜合分析

綜合以上分析認為：剪切螺釘與螺套相互位置不正確，即螺桿與筒體間的相對位置不正確，切刀與模板裝置間的間隙3 mm變小；剪切螺釘與螺套螺棱干涉，導致螺桿受徑向和軸向交變應力，螺桿彎曲，螺套外圓與筒體襯套間干涉、摩擦；主軸與模板裝置上定位套干涉、摩擦；切刀與模板裝置干涉。

剪切螺釘與螺套螺棱干涉以及主軸軸徑與可調模板裝置中的定位套內孔互研，產生附加橫向載荷，引起附加彎矩；同時主軸軸徑表面因研傷形成了明顯的缺陷；勢必造成主軸受高應力疲勞破壞。

結論：屬于安裝、調整不當，導致螺桿主軸斷裂。

3 螺桿安裝的步驟及注意事項

3.1 螺桿安裝

（1）將筒體內表面清洗干凈，螺桿清洗干凈，減速箱鍵槽清洗、吹掃干凈。

（2）螺桿的標記方位在頂部位置。用專用起吊工具將螺桿水平吊起，找正，緩慢將其穿入減速箱箱空心軸內，螺桿軸端部鎖緊螺母固定安裝。

（3）擠壓脫水機螺桿軸安裝完成后，進行料筒的安裝，料筒采用分段式設計，從擠壓機進料斗開始安裝，進料斗-錐筒體-直筒體-擠出模板逐級完成安裝。

（4）卸下螺桿支撐工具，用塞尺測量螺桿與模板的間隙，應符合要求，然后緊固模板連接螺栓及軸承座安裝螺栓。

3.2 注意事項

（1）設備的軸對中

設備從安裝時的冷狀態，到開車運行時的熱狀態，此過程由于受溫度變化等原因，會引起軸中心線的位移變化，所以在安裝時必須考慮各種因素的影響。當設備受溫度變化時，在螺桿軸浮動端預留膨脹量，使設備在運行時具有一定的膨脹補償余地，這樣才能保證設備長周期、平穩運行。

（2）筒體水平度的測量

擠壓脫水機的機身尺寸長、長徑比(L/D)大，擠壓脫水機筒體為分段式，各段之間靠止口定位，法蘭連接。測量筒體縱向水平度是將方水平儀直接在直筒體外表面加工面上進行測量，這樣可以準確地反映筒體本身的水平度。

（3） 擠壓脫水機螺桿尺寸長、重量大，與筒體的平均間隙只有2 mm，安裝技術難度大。裝配時稍有不慎就有可能與筒體碰撞和別勁，容易出差錯，螺桿安裝過程中允許與筒體輕微摩擦。

4 結論

（1）擠壓脫水機短期運行后發生螺桿主軸斷裂，采用宏觀觀察與分析、檢測分析及計算分析方法進行了探究。最終確認其原因為螺桿安裝、調整不當。

（2）基于螺桿的安裝對設備運行有較大的影響，所以應嚴格按照安裝手冊進行操作，同時應重點保證設備的軸對中、筒體水平度的測量以及裝配時避免與筒體碰撞和別勁等問題。