橡膠廠擠壓脫水機斷軸原因分析與建議措施

閆 偉,竇懷鵬,劉小文

(蘭州石化公司 機電儀運維中心,甘肅 蘭州 730060)

1 擠壓脫水機簡述

橡膠廠擠壓脫水造粒機是橡膠產生的B類設備,采用Anderson公司的專利技術,其特點是在普通擠壓脫水機的基礎上,延長一部分封閉筒體,物料通過此段加壓,經模頭擠出造粒進振動布料器直接送入干燥箱內,進入包裝線裝袋。處理能力(單臺):Qmin2040kg/h～Qmax4615kg/h (干基) ,主驅動電機:300HP(223.6kW),轉速1480rpm,TEFC-IP54防護等級,減速機輸出功率:200kW,轉數123.21rpm。年運行8000小時以上。工作環境酸性環境,進料溫度:54 ℃～76 ℃ (一般可按平均值65.5 ℃)。

自2018年以來已發生多次斷軸,并且斷軸位置大致相同,造成機組非計劃停車,且每根軸原廠造價近70萬元,致使檢修備件費用發費大。

2 擠壓脫水機的原理和結構

擠壓脫水機用于將橡膠顆粒進行擠壓脫水并切成薄片,其結構和原理如圖1所示。

圖1 擠壓脫水機結構簡圖

膠料的擠壓脫水在機體組件內進行,膠料在機體組件內受到螺旋軸的擠壓,擠壓出的水分從柵板的間隙排出。剪切板用于將擠壓成條的膠料切碎;螺旋組件是擠壓脫水機的核心,它直接影響擠壓脫水機的擠干程度、能量消耗和工作效率。螺旋軸組件(圖2所示)由若干段螺套組成,各段螺套外徑相同,螺距逐漸變小,螺旋槽深度也逐漸變小,膠料的壓縮比逐漸增大,干燥程度逐漸提高。螺旋組件裝配在主螺旋芯軸(階段軸)上,該軸與減速機通過聯軸器相連,電機的輸出功通過減速機傳輸到軸上,由軸帶動螺旋組件實現擠壓脫水。

主螺旋芯軸(所有螺旋套均為可拆式):17-4pH不銹鋼材料,加裝316不銹鋼環套;從進料螺旋到造粒機筒段均為316不銹鋼螺旋套。

3 斷軸失效分析

橡膠廠僅在2018年一年內擠壓軸主軸發生斷軸就有5次,加上以前斷裂的2次,最近一次斷裂在2022年2月14日,共計9(6次Φ137.5+3次Φ152軸肩處)次。該擠壓機屬于B1類設備,該軸因裝有螺旋套,被其覆蓋,不便于觀察,檢修難度較高,給維保和裝置平穩運行帶來挑戰。為了消除這一隱患,減輕保運壓力、適應裝置高負荷運行的需求,我車間對擠壓脫水機斷軸問題開展分析研究,主要是對軸的強度、斷口、化學成分組成、理化組織、制造加工工藝等進行了分析。

3.1 軸的強度核算(實心階梯軸)

該軸為實心軸,軸的材質0Cr17Ni4Cu4Nb,是沉淀硬化型馬氏體不銹鋼,美國牌號是630。是由銅、鈮/鈳構成的沉淀、硬化、馬氏體不銹鋼。這個等級具有高強度、硬度高和抗腐蝕等特性。經過熱處理后,產品的機械性能更加完善,強度可以達到高達1100～1300MPa (160～190 KSI)。這個等級不能用于高于300 ℃ (570F) 或非常低的溫度下,它對大氣及稀釋酸或鹽都具有良好的抗腐蝕能力,它的抗腐蝕能力與304和430不銹鋼一樣。

按照扭轉強度條件計算,對軸的扭轉強度核算

(1)

式中A——由軸的材料和承載情況確定的常數,取100;p——軸所傳遞的功率,取186.4kW;n——軸的工作轉速,取 123.21r/min。

因軸上開鍵槽,軸徑增加3%,軸徑

D=1.03*d=118mm

(2)

確定核算軸的最小直徑118mm小于軸的實際最小直徑120mm,軸滿足扭轉強度要求。

按照彎扭合成強度條件計算,彎矩只是螺旋組件重量產生的彎矩,在軸承支撐處。組合件重1500kg,在支撐處產生彎矩

M=F*L=12495 N·m

(3)

T=9550*p/n=9550*186.4/123.21=14448 N·m

(4)

(5)

式中M為合成彎矩(N·mm),T為轉矩(N·mm);

Ψ為根據扭轉性質而定的折合系數,取0.65;σ-1p為循環狀態下的許用彎曲應力,取213。

得出軸滿足彎扭轉強度要求。

危險截面安全系數校核:

(6)

式中Sτ——只考慮彎矩作用時的安全系數;

Sδ——只考慮扭矩作用時的安全系數。

得出危險截面滿足強度要求,故軸的強度滿足要求,如圖3所示。

圖3 軸的斷裂截面與危險截面

針對擠壓脫水機主軸頻繁斷裂,裝置運行至今年1月已斷裂9次,通過統計發現擠壓機主軸斷裂面多發生在主軸臺肩處,且每次斷裂位置基本相同,對軸進行了強度核算,斷裂沒有發生在軸危險截面的位置,所以軸斷裂并不是由于軸強度不夠導致斷裂。

3.2 軸斷裂分析和斷口分析

3.2.1 軸斷裂分析

通過核算軸的強度滿足要求,從軸的加工、幾何結構和工藝生產方面分析可能引起斷裂的原因。

(1)軸的結構分析。主軸的軸徑大小不一,為階梯軸,不連續,有突變,軸加工后,在軸肩處易形成應力集中,在Φ137.5/Φ152處,斷軸6次,在Φ148/Φ152處,斷軸3次,得到事實證明。

(2)軸的制造工藝分析。主軸材質為0Cr17Ni4Cu4Nb,這種材質的軸要求表面精度高,加工困難,容易出現鍛造、加工缺陷,經與制造廠了解,軸的制造加工過程是胚料鍛造成型,進行回火+正火處理,以降低材料的硬性和脆性,增加韌性,便于粗機加工車削成型,然后進行固溶處理,進行精加工精車削,通過檢查,加工工藝符合要求,加工表面也符合要求。

(3)工藝生產過程分析。工藝生產中有將壓塊后的回收膠重新投入擠壓機的情況,由于投入的膠塊較大,膠塊硬度較大,在擠壓時由于壓塊的大且硬,對擠壓機主軸造成較大的沖擊,長期多次的這種行為造成軸超負荷運行是形成低周疲勞、生產裂紋的根源。

3.2.2 斷口分析

從現場軸斷裂的斷口可以分析出軸斷裂主要是由于軸的彎曲疲勞導致,如圖4所示。

圖4 軸斷面圖

從圖4可以看出軸斷裂分為三個階段:第一階段為裂紋萌生區,在疲勞源處開始;第二階段為擴展區,裂紋呈亞穩擴展和失穩擴展;第三階段為瞬時斷裂區,明顯的彎扭脆斷。從裂紋的紋路可以判斷出開始是韌性斷裂,后為脆性斷裂。芯軸因為疲勞生產微裂紋,長期處在酸性環境工作,在彎扭共同作用下加劇了裂紋擴展,致使裂紋從亞穩擴展逐漸發展到失穩擴展,最后被扭斷。

4 軸的化學成分組成分析

通過對軸三處共18個點進行光譜定量檢查,發現其化學成分(表1所示)均符合GB/T 1220—2017對0Cr17Ni4Cu4Nb的材料要求,說明軸的化學成分組成達標。

表1 軸的化學成分光譜定量檢查表 /%

5 硬度分析

對軸的截面進行機械打磨加工,在軸的外表面、1/2半徑和心部三處進行洛氏硬度檢測,檢查數據如表2所示。結果顯示硬度變化外表面硬度最大,心部最小,符合軸的硬度分布一般規律,軸的表面硬耐磨、韌性又好的特性要求,但有些對應位置點硬度值相差較大,排除設備的原因,應是處理過程中還有不均勻現場存在。

6 工作環境分析

工藝生產過程中整個擠壓脫水過程處于pH值4～7的酸性環境中,氫離子豐富,易發生氫離子得電子的化學腐蝕和原電池腐蝕,另外生產時有將壓塊后的回收膠重新投入擠壓機的情況,由于投入的膠塊較大,膠塊硬度較大,在擠壓時由于壓塊的大且硬,對擠壓機主軸造成較大的沖擊,若每30分鐘一次,按一年運行8000小時,則經受16000次沖擊,長期多次的這種行為加注造成軸超負荷運行是形成低周疲勞、生產裂紋并擴展的根源。

7 改進建議措施

通過對軸的分析得出,軸的強度滿足要求,化學成分組成符合標準,但硬度檢測中若排查設備原因外還存在有不均現象,從軸的斷裂位置統計結果和現場調查來看,主要是工藝生產過程中在添加大塊壓塊料時生產對軸的沖擊,致使超負荷運行,再加上軸的不連續,突變引起應力集中等原因組合作用引發軸斷裂,這樣的結構已從軸的斷裂位置可以得到證明。

建議解決的措施:

(1)針對階梯軸不連續、應力突變問題可在軸加工時,對發生斷裂位置處的軸徑突變采取圓弧過渡,避免應力集中生產,但是因為擠壓設計的螺旋擠壓組件的螺套和破料器的安裝需要軸肩固定,屬于不可避免的系統缺陷,如果采取圓滑過渡,則擠壓螺旋安裝固定不牢,影響生產。

(2)針對生產時投入壓塊回收硬膠,在投放前將壓塊硬膠進行切碎、加熱,使其軟化,以此擠壓時,減少對軸的沖擊。