螺旋式擠壓脫水機主軸斷裂失效故障原因分析

王曉慶

（大慶石化公司化工三廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

丁二烯聚合反應生成的順丁橡膠膠液在凝聚以后，再經過洗膠處理去除雜質，然后進入螺旋式擠壓脫水機的橡膠顆粒物料含水率約在35%～55%。經螺旋式擠壓脫水機擠壓脫水，含水率降到8%～12%。順丁橡膠生產負荷的調整主要根據目測振動篩膠料量和膨脹干燥機溫度、電流和擠壓機的電流來調整擠壓機的錐體開度。一旦螺旋式擠壓脫水機發生機械故障，后續生產工藝則無法進行，會造成整個機組停機。

1 螺旋式擠壓脫水機的工作原理

螺旋式擠壓脫水機主要由7 個部分組成：框架和基座、電機、螺旋套筒、螺旋桿、減速器、加料段、調壓體。螺旋式擠壓脫水機工作原理如圖1 所示。

圖1 螺旋式擠壓脫水機工作原理

螺旋式擠壓脫水機的主要作用是用于接收含有一定水分的橡膠顆粒，經過料斗進入到擠壓脫水機的螺桿中，通過機械旋轉的螺桿將橡膠顆粒物料向前輸送，由于螺旋筒體與螺桿之間構成的容積沿著螺桿軸向的方向逐漸變小，形成巨大的擠壓力，螺槽內橡膠顆粒物料由于受力逐漸被壓實，橡膠顆粒物料中大部分水分受外力作用被機械脫水，水分從螺桿套筒上籠條間隙中被擠壓出來。橡膠顆粒物料在向前輸送過程中由于擠壓和摩擦生熱，使橡膠顆粒物料沿著旋轉套筒向前的溫度逐漸增高，在物料出口處溫度可達到100 ℃左右，在高溫的條件下橡膠顆粒物料變成熔融的流動狀態，熔融后流動的橡膠物料被擠壓脫水機螺桿持續地向前輸送到排料口，因此，通過擠壓脫水機使橡膠顆粒物料的含水率達到生產工藝所規定的程度，最后通過擠壓脫水機機頭排料口擠壓成型為標準的條狀，再經過切刀切碎，切成一定的形狀。

調壓體安裝在螺旋式擠壓脫水機機體的末端，通過液壓傳動進行調節，根據生產工藝要求改變出料口面積的大小，出料口面積越小，橡膠顆粒物料所受的擠壓力就越大，因此，通過調壓體調節螺旋式擠壓脫水機機體內橡膠顆粒物料所受的擠壓力，實現螺旋式擠壓脫水機對物料脫水率的要求。

2 螺旋式擠壓脫水機軸斷裂失效情況

螺旋式擠壓脫水機在安裝后，在橡膠生產裝置中正常運行4 年多，某次生產波動時突然發生主軸斷裂失效情況。在螺旋式擠壓脫水機主軸斷裂失效的瞬間，在遠端控制系統計算機上立即顯示脫水機電流馬上降低額定數值以下，系統立即啟動聯鎖保護，機組進入到停機狀態。

通過維修技術人員將軸拆下，對主軸斷面情況進行觀察：

（1）軸斷裂處位于下料段切刀安裝處，在軸上段鍵槽位置定位銷孔的中心線處，沿著中心線處斷裂。

（2）軸的斷裂面與軸的縱向形成近似90°的直角，軸斷裂處立面如圖2 所示，斷面比較整齊，基本上形成一個平整的平面。

圖2 主軸斷裂處立面

（3）在主軸斷裂面部分有明顯的銹蝕痕跡，在定位銷孔底部有明顯的直線裂紋，已斷鍵槽定位銷孔底部為中心有明顯的大范圍的貝殼狀的裂紋發展區，以及主軸斷裂失效的瞬間斷裂面，主軸斷裂處橫面如圖3所示。

圖3 主軸斷裂處橫面

（4）對主軸進行宏觀檢查，沒有發現有其他影響主軸斷裂的內部缺陷和外部缺陷。

3 螺旋式擠壓脫水機主軸斷裂失效原因分析

3.1 螺旋式擠壓脫水機主軸斷裂部位

螺旋式擠壓脫水機主軸斷裂部位詳細剖面如圖4 所示。

圖4 主軸斷裂部位詳細剖面

3.2 主軸的支撐形式

減速機同動力輸出主軸由一套夾持式聯軸節共同連接，它們組合在一起通過主軸帶動旋轉，在下料錐孔前有相當于滑動軸承的前架襯套，在主軸的尾端是徑向支撐可調心軸承。

3.3 主軸斷裂失效原因分析

螺旋式擠壓脫水機主軸的最大直徑是150 mm，也是主軸斷裂處的軸直徑，軸長3704 mm，主軸由合金材料0Cr17Ni4Cu4Nb 制造而成。通過測量切刀和出料口之間的間隙為45 mm，而錐孔開度為12 mm。熔融狀態的橡膠顆粒物料在主軸螺桿的帶動下通過擠壓脫水機機頭排料口擠壓成型為標準的條狀，正常生產過程中物料溫度一直處于70～100 ℃，在高溫條件下橡膠顆粒物料是柔軟的，所以，在橡膠正常生產過程中切刀受到的軸向力非常小，可以不予以計算。切刀受力主要是主軸螺桿帶動切刀轉動的扭矩，以及切刀剪切熔融的橡膠物料成條狀時所產生的阻力，這二個力之間平衡。所以，主軸在斷裂面處從力學理論上講，只受切刀對主軸的反作用扭矩，這個扭矩力的傳遞主要靠銷軸與平鍵。假設是由于切刀對主軸螺桿的扭矩作用，引起螺桿斷裂，依照斷裂力學與材料力學的原理，主軸軸線與斷裂面應成近似45°的斜角，這與螺旋式擠壓脫水機主軸實際斷裂面與軸線成近似的90°直角不符合，因此，可以斷定主軸螺桿斷裂不是因為扭矩作用造成的。

鑒于主軸軸線與斷裂面成近似90°的直角，判斷分析主軸是由于受相對較小的扭矩與大彎矩合力長期造成的斷裂。原因如下：主軸的長徑比為3704∶50，約為24.66，所以該螺旋式擠壓脫水機主軸是細長軸。主軸在只受兩個支撐點作用時，才是最穩定的系統，稱為靜定系統。由于在該細長的主軸上存在有3 處支撐，造成主軸的力學模型是靜不定系統，不夠穩定，主軸的支撐模型如圖5 所示。而顯然該細長主軸在力學上分析是不穩定的。

圖5 主軸的支撐模型

在螺旋式擠壓脫水機正常生產運行過程中，由于擠壓段內橡膠顆粒物料不能完全充滿旋轉套筒筒體內部，主軸螺桿在旋轉過程中從四周受力不均勻，造成主軸螺桿處于彎曲狀態，同時由于中間位置的前架襯套起到支撐作用，必定會造成下料段主軸螺桿反向的彎曲，使主軸處于巨大的受力狀態，如圖6 所示。

圖6 主軸受力彎曲的支撐模型

在正常生產運行中主軸處于不停的運轉狀態，旋轉套筒內主軸螺桿受力后的彎曲方向也在不斷改變，而下料段主軸螺桿的受力彎曲方向也在不斷地隨著旋轉改變，下料段主軸處受力變成脈動循環變應力。而為了給切刀傳遞扭矩，設計人員在與切刀配合處的主軸螺桿上設計一個鍵槽，為了對切刀進行準確的軸向定位，又在鍵槽上加工定位銷孔進行定位。銷孔的加工位置幾乎處于下料段主軸螺桿兩邊支撐的中間，受力最大彎矩的位置，幾乎處于脈動循環變應力的中心。使得整個主軸的最薄弱處成為受力最大的部位。因此，主軸斷裂的原因是主軸薄弱處長期受到較大的脈動循環應力作用下疲勞破壞的結果，是設計結構不合理的原因導致的主軸斷裂。

4 結束語

螺旋式擠壓脫水機主軸斷裂的主要原因是設計結構不合理，次要原因是定位銷孔加工缺陷和生產過程中發生的化學腐蝕，這些原因綜合在一起是造成螺旋式擠壓脫水機下料段主軸斷裂的全部原因。因此，要對螺旋式擠壓脫水機主軸進行重新設計，采用合理的力學結構，提高主軸加工工藝，采用新合金材料防止腐蝕，提高主軸的整體質量，這樣才能徹底解決主軸斷裂失效問題。