螺旋卸船機垂直螺旋葉片修復工藝研究與應用

◎ 董良太，孫澤豪，劉 靜，滕 健，邢 萌

（日照港裕廊股份有限公司，山東 日照 276826）

螺旋卸船機是以螺旋取料并利用垂直螺旋輸送機提升物料的散貨卸船機，因其卸船作業(yè)效率高、適應性強，具有結構簡單以及環(huán)境污染小等特點，被廣泛應用于粉狀、顆粒狀和塊狀物料的接卸作業(yè)。日照港裕廊股份有限公司主營糧食、木片等貨種的碼頭服務業(yè)務和鐵路貨物運輸代理等延伸服務，進口糧食吞吐量連續(xù)2年突破1 000萬t，是全國最大的大豆、木片進口港，現(xiàn)有2臺BMH[瑞典Siwertell（西沃特爾）]制造的ST-640MD型螺旋卸船機（如圖1所示），其在日常接卸木薯干等糧食類貨種中得到很好的應用。

圖1 螺旋卸船機圖

螺旋卸船機，特別是垂直螺旋輸送機，在螺旋過程中會不可避免地與物料產生相對滑動現(xiàn)象，造成螺旋葉片磨損嚴重。垂直螺旋的設計使用壽命為5 000 h，經(jīng)過簡單檢修、焊補，使用壽命會有所延長，預計單套垂直螺旋最長使用時間可達7 000 h左右。隨著原材料和人工成本的不斷提高，垂直螺旋的采購價格也在不斷攀升，單套原裝進口垂直螺旋（含外殼、螺旋、法蘭、喂料器等）采購價格預計400萬元左右，且受運輸方式等諸多不確定因素影響，采購周期長達8個月左右。此外，受年度備件采購預算的限制，在用螺旋和新件采購存在時間間隔，且被更換掉的螺旋通常是被閑置，這給企業(yè)造成了較大的浪費，研究螺旋舊件修復的可行性十分必要。

1 垂直螺旋運行機理和磨損原因分析

螺旋卸船機主要由驅動裝置、垂直螺旋、螺旋外殼、喂料器、OD軸承總成、桃形減速機、卸料口等組成（如圖2所示）。在進行物料垂直提升輸送時，首先由與垂直螺旋旋轉方向相反、帶有傾斜翼板的喂料器使周圍的物料松動并向垂直螺旋供料。當垂直螺旋葉片以轉速帶動輸送管內的物料顆粒群旋轉時，物料顆粒群也被加速轉動，在旋轉產生的離心慣性力作用下，物料逐步向螺旋外殼及螺旋葉面移動，并與之緊貼，加上物料自身重力，對螺旋外殼和螺旋葉面產生壓力，進而引起螺旋外殼和螺旋葉面作用的摩擦力，該摩擦力阻止物料隨螺旋葉片一起旋轉，且摩擦力隨螺旋轉速的增大而增大[1]。當摩擦力超過某個臨界值時，將使物料與螺旋之間產生相對運動，物料具有垂直向上的運動分量，克服物料自身的重力，從而實現(xiàn)物料的垂直提升輸送。

圖2 垂直螺旋輸送機構組成圖

大豆是日照港裕廊股份有限公司ST-640MD型螺旋卸船機作業(yè)的主要糧食貨種，其在螺旋外殼內穩(wěn)定輸送，形成自由表面狀態(tài)后，因高速旋轉而產生的離心力和自身重力，在螺旋軸、上下螺旋葉片表面、螺旋外殼內壁形成壓力與摩擦力，與管壁的壓力與摩擦力構成動態(tài)平衡力系，從而確定了物料的運動和阻力。大豆摩擦包括外摩擦和內摩擦，外摩擦的大小是通過摩擦系數(shù)來表示，內摩擦的大小則是用靜止角和摩擦角來衡量[2]。垂直螺旋提升大豆的過程中，由于大豆流動性較好，造成大豆與垂直螺旋葉片之間產生內摩擦和外摩擦，加劇了螺旋葉片的磨損，尤其是葉片上表面的磨損（如圖3所示）。起初在垂直螺旋葉片的上表面從外向內堆焊了寬度5 cm的耐磨層，后期為提高螺旋葉片使用壽命將其增大到6 cm，但從實際使用結果來看，螺旋機使用壽命的提升效果并不理想。圖3中的螺旋葉片本體磨損十分嚴重，局部位置幾乎已經(jīng)磨透，且磨損主要集中在耐磨層向內5 cm左右的位置，邊緣的耐磨層磨損情況相對較輕，以螺旋軸磨損程度最輕，表面油漆還完好無損。

圖3 螺旋葉片磨損圖

基于現(xiàn)場條件和工藝的限制，我們無法頻繁地對喂料器提升螺旋進行堆焊修補，只能在每次OD軸承檢查調整時，通過支架耐磨瓦安裝窗口檢查螺旋法蘭連接位置的螺旋葉片磨損情況。其中，單節(jié)螺旋長度可達5 m左右，但通常情況下，我們能檢查到的長度往往不足0.5 m，這也會影響螺旋的使用壽命。

2 必要性與可行性分析

螺旋價值相對較高，而被更換下來的螺旋多被當作廢舊鋼材折價賣出，造成了極大的浪費，有必要實施再制造技術進行修復。再制造通過標準化的技術、工藝，使各類損壞或報廢的設備恢復性能，達到延長使用壽命、降低成本的目的，這既解決了進口備件短缺、不能滿足生產需要的問題，也解決了因備件短缺造成設備無法修復的問題，有效降低了企業(yè)的資金壓力。我國再制造產業(yè)發(fā)展雖晚，但勢頭非常好，目前已成為世界上最重要的再制造中心之一，在再制造基礎理論研究與技術應用開發(fā)方面走在了世界前列[3]。

在拆下的螺旋現(xiàn)場采用敲擊、放大鏡檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，法蘭連接處焊縫完好，螺栓無斷裂，螺栓孔無滑絲情況。螺旋軸和螺旋葉片主體結構完好，葉片焊接根部油漆未磨損，機械結構沒有損壞，為保證設備的可修復性，需要對螺旋進行表面再清洗，清除表面油污、灰塵等雜質，具有拋丸設備的可進行拋丸處理，確保螺旋表面干凈，最大限度地提高基體和焊材融合界面的結合度。使用合適的耐磨工藝將耐磨材料堆焊在基材表面，其復合碳化物在基材表面形成的奧氏體具有良好的抗拉強度和高應力的耐磨性以及較好的抗沖擊性。螺旋葉片修復只要在堆焊過程中控制較小的變形和快速冷卻，使用普通二氧化碳保護焊焊接即可滿足要求，實現(xiàn)螺旋修復再利用。

3 修復處理

為盡可能提高修復后的螺旋技術狀態(tài)，延長其使用壽命，我們可以選擇為煤炭和礦石開采行業(yè)提供設備維修的服務單位，該類單位長期研究并從事機械設備耐磨堆焊修復以及耐磨備件、輸送設備等機械設備的制造，與螺旋卸船機使用工況類似，對耐磨指標要求高，且對耐磨工藝研究具有實際應用價值。

3.1 材料選擇

為保證新堆焊磨焊層與舊焊磨焊層相互熔覆、均勻焊接、焊層高度一致，修復和打底時需要用506材質的焊絲。506焊條為低合金鋼焊條，具有較好的抗壓性，另506焊條操作性強，可進行全位置焊接，焊縫具有優(yōu)良的抗裂性能。將垂直螺旋帶有耐磨合金涂層的一面進行焊補修復，新堆焊磨焊層材質要求為高鉻合金堆焊，修復材質采用耐磨400，鉻含量不低于30%，HRC硬度不低于63。從合金元素在鋼中的作用可知，鋼中加入合金元素可以形成具有簡單晶格的間隙相碳化物以及具有復雜晶格的碳化物。鉻、鉬、鎢等與碳的親和力較強，含量較高時可形成特殊碳化物，而合金元素與碳的親和力越強，形成的碳化物越穩(wěn)定，熔點和硬度越高[4]。耐磨層選用堆焊焊條CH-100-O:符合EN14700TFe15要求，該焊條主要用于修復磨損嚴重的機械零件。堆焊層硬度HRC: 62~64，全金屬焊接金屬化學成分（成分和硬度基于6層熔敷金屬檢測）：wC為4.5%~6.0%、wSi為0.5%~1.5%、wMo為0.8%~1.2%、wMn為0.5%~1.5%、wCr為27%~31%、wZr≤0.4%。

3.2 修復工藝

根據(jù)事先擬定的修復流程，首先對5根垂直螺旋表面進行清潔、除銹、除油等處理，檢查螺旋葉片根部和法蘭盤焊縫等應力集中位置是否存在裂紋。修復前必須滿足所有準備條件，方可進入修復流程。設置專門維修工位，上方為吊具，下方為維修坑，將螺旋豎直放置在吊裝支座上，以不能靈活轉動為宜，焊補并修復5根垂直螺旋母體一側的磨損部分（含耐磨焊層內側凹陷部分），螺旋頂面及母體未磨損一面無需進行修復。螺旋母體耐磨焊層內側凹陷部分焊補、打磨平整，再進行堆焊處理。螺旋修復前準備焊接螺旋工裝，采用焊補新工藝，避免螺旋中心軸發(fā)生變形。為解決因螺旋葉片原耐磨層寬度不足，造成基材母體磨損嚴重的問題，可將葉片表面新堆焊磨焊層寬度增大至10 cm（自螺旋耐磨合金涂層的根部開始計算）,厚度根據(jù)螺旋母板磨損面程度修復（螺旋母板厚度為12 mm），焊接修復達到一個水平基準面。為使堆焊效果最佳，必要時可用氫氧焰對葉片表面進行烘烤，將葉片焊接區(qū)域全部做好定位。在螺旋現(xiàn)有耐磨層不處理的基礎上，自耐磨層下方開始堆焊處理，采用明弧焊的焊接工藝。先將基材磨損凹處使用506焊絲修復找平，再使用耐磨焊絲沿徑向堆焊，為保證螺旋葉片堆焊冷卻后的殘余應力變形控制在合理范圍內，需要轉動螺旋，對稱焊接分段跳焊，并不斷用錘敲擊，以防單位面積熱輸入過大造成過量變形。焊槍傾角控制在45°左右，采用連續(xù)送絲方式，焊接區(qū)域滿焊全熔透，以達到不同材質融合，如圖4所示。為防止焊接變形，一次焊接寬度不超過10 mm，堆焊焊縫之間間隔一個焊縫寬度，堆焊要均勻美觀，焊接完整根螺旋葉片后，再焊接間隔的未焊部位。若單次焊接厚度達不到總要求，可在上一層焊接拼縫處再復焊一層。

圖4 現(xiàn)場螺旋葉片修復圖

3.3 后處理

對修復完成的螺旋葉片堆焊層和熱影響區(qū)，若條件充分，可做滲透探傷，檢查其修復表面有無裂紋等焊接缺陷，也可使用內徑千分尺檢查修復葉片的位形尺寸是否有變形嚴重的情況發(fā)生[5]。修復的垂直螺旋需要做動平衡實驗，如果檢測超出了給定范圍，需要采用外加配重塊的方法進行重新調試，以保證其動平衡在設備的規(guī)定范圍內運行，修復后的垂直螺旋如圖5所示。

圖5 修復后的垂直螺旋圖

4 使用效果

截至2023年1月，已累計有1 379臺再修復的垂直螺旋，經(jīng)過重新裝配后繼續(xù)使用長達5個月時間。可見，螺旋修復有效地提高了螺旋葉片的耐磨性，降低了單套螺旋的更換頻率。很多使用近半年的螺旋，葉片表面仍無明顯磨損。采用合理工藝并選用性能優(yōu)異的焊接材料，使螺旋在同等工況條件下比原材料磨損程度更輕，既滿足了生產的實際需要，又降低了采購成本和更換費用。

5 結語

本文依據(jù)垂直螺旋運行機理，詳細分析了螺旋葉片磨損的具體原因，論證了修復螺旋的必要性和可行性，有針對性地選擇了修復材料和工藝，并將其成功應用于實際，有效解決了垂直螺旋購置成本高、周期長的問題，為企業(yè)節(jié)約了大量的設備購置費用，具有一定的應用價值和社會經(jīng)濟價值。