組合式螺桿膨脹機加料螺套故障分析

朱立輝

(巴陵石化公司 合成橡膠事業(yè)部,湖南 岳陽 414014)

組合式螺桿膨脹干燥機(以下簡稱組合式螺桿膨脹機)為熱塑性彈性體除濕干燥裝置的核心機組,在產品脫除揮發(fā)份、提高產能方面起核心作用.組合螺桿膨脹機主機螺桿軸結構為分段螺套組合而成,螺套組與主軸以鍵傳動,其作用機理是通過螺桿軸螺套擠壓實現(xiàn)機械能向物料內能的轉換,按結構螺桿軸可分為加料段、壓縮段與計量段.組合螺桿膨脹機加料段部分螺套出現(xiàn)膨脹變形、開裂,進而損壞主機內襯、剪切螺釘?shù)?導致較長時間的非計劃停車.車間擬改進螺桿軸加料段結構,以解決加料螺套開裂故障.

1 故障概述

SBS車間后處理裝置組合式螺桿膨脹機先后多次出現(xiàn)進料螺套起鼓變形,現(xiàn)以2010年3月出現(xiàn)的膨脹機加料螺套起鼓、開裂為例說明.

2010年3月SBS-705裝置膨脹機因進料斗內落入不銹鋼異物,導致膨脹機機頭壓力由額定值不大于10Mpa瞬間增至20Mpa左右,停車排料后檢查膨脹機主機發(fā)現(xiàn)加料段部分螺套出現(xiàn)變形起鼓、開裂問題,裝置停工搶修,更換膨脹機損壞螺套.S-705組合螺桿膨脹機螺桿軸結構如圖1所示.

圖1 S-705組合式膨脹干燥機螺桿軸結構

2 原因分析

2.1 熱膨脹系數(shù)差異

不同材料的熱膨脹系數(shù)不同,多種材料組成的產品在出現(xiàn)一定的溫差后可能會產生縫隙、膨脹,導致產品松動或蹦斷,這是結構組件設計難點之一,也是故障易發(fā)處.另外,固態(tài)金屬在熱脹冷縮作用下,晶體的線度隨溫度升高而增大,其線性熱膨脹系數(shù)也不一致,也是導致結構組件故障的因素[1].

S-705組合式螺桿脫水機膨脹干燥機螺桿軸主軸與軸套材質不同,各構件停機狀態(tài)、開車過程中的溫度差異,使其線性熱膨脹系數(shù)不同,螺桿軸各組件形變也不同.查工程金屬材料線性熱膨脹系數(shù)表,螺桿軸主軸與軸套兩組分在停機、開車狀態(tài)下線性熱膨脹系數(shù)見表1[2].

表1 主軸與螺套線熱膨脹系數(shù)α×10-6/℃

由表 1可以看出,線性熱膨脹系數(shù)并非是一個常量,它是一個隨溫度上升而逐漸升高非線性函數(shù).組合式螺桿膨脹機主機加工、安裝及停機狀態(tài)均為常溫20℃左右,設備開車過程機組溫度可達到180℃左右,計算過程取相對保守值150℃,則由線性熱膨脹系數(shù)計算螺桿主軸膨脹量ΔL軸為:[3]

其中L0為主軸與螺套組件配合長度;T1,T2為停機、開機狀態(tài)下的溫度;α1,α2為停機、開機狀態(tài)下的線性熱膨脹系數(shù).

同樣計算出螺套膨脹量ΔL螺套為:

S-705組合式螺桿膨脹機螺套軸向線性熱膨脹量與主軸膨脹量存在差值ΔL:

由此可見,螺套組與主軸軸向線性熱膨脹量不一致,螺套組竟比主軸膨脹伸長1227.9μm.

2.2 受力分析

2.2.1 線性熱膨脹受力

組合式螺桿膨脹機螺桿軸組件軸向受力情況可簡化為如圖2所示.

圖2 S-705組合式膨脹干燥機軸向受力情況

螺桿軸進料端主軸、螺套受軸承座空心軸套定位,即進料側一端已固定,主軸與螺套組向出料側膨脹伸長.由圖 2可以看出,螺套組軸端以圓螺母與主軸鎖緊,螺套組較之主軸膨脹伸長量大 1227.9μm,主軸剛度、強度明顯優(yōu)于螺套組,故螺套組可認為出料端也相對固定,即螺套組兩端固定,在停機、開車過程存在明顯溫差,迫使螺套組件出現(xiàn)形變.

S-705組合式螺桿膨脹機不等槽深螺套基本參數(shù)見表2.

表2 不等槽深螺套參數(shù)(mm)

上述螺套A～N為膨脹機螺桿軸加料側依次排列,忽略鍵槽位則以上各螺套貼合面最小圓環(huán)截面積Smin計算如下:

由此可得出,螺桿軸螺套組中螺套A最小圓環(huán)截面積也最小,僅為2.52×10?3m2.故螺套組在兩端相對固定的情況下,螺套 A處存在最小圓環(huán)截面積,該處存在最大應力,故加料螺套 A為螺套組最薄弱螺套,出現(xiàn)膨脹變形.

2.2.2 超壓運行

異物落入、堵模板孔等問題導致機頭壓力可達到20MPa以上,螺套組受到反作用力與其大小相等,指向進料側,如圖 2所示;此外,螺套組受螺套末端錐頂鎖緊產生的預緊力(F1),指向進料側;因熱膨脹因素,螺套組伸長量較之主軸伸長1227.9μm,故錐頂受力拉伸,方向指向出料側,螺紋伸長,螺套組受錐頂反作用力(F2),指向進料側.則螺套組受力(F)為:

螺套受力面積螺桿軸截面積,其受力面積S為:

機頭壓力(σ機頭)以20MPa計,由應力公式計算螺套組軸向壓力(F機頭)為:

查螺栓預緊力表,螺套組受錐頂螺紋產生預緊力F1=2.54× 106N.

錐頂可視為緊固螺栓,在螺栓彈性范圍內,螺栓伸長量(ΔL)與所施加的軸向載荷(F2)關系為:

其中E為錐頂彈性模量(214GPa),L為螺栓有效長度(130mm),AL為螺栓應力面積(螺栓公稱直徑 80mm),計算得出ΔL與F2、F關系見表3.

表3 錐頂伸長量與螺套組受力關系

由歐拉公式計算螺套彈性失穩(wěn)臨界載荷(Fcr):

其中E為螺套彈性模量(214GPa),I為截面慣性矩,μ為長度因數(shù)(μ=2),l為螺套長度.計算得出螺套A出現(xiàn)最小彈性失穩(wěn)臨界載荷Fcr=11.55× 106N.

取安全系數(shù)η=1.8,則當螺套A受軸向壓力時,螺套A可能出現(xiàn)失穩(wěn).

從表3得知,若由錐頂受拉伸長補償螺套組與主軸熱膨脹量差值,螺套組受力大于11.83×106N,也大于螺套A彈性失穩(wěn)臨界載荷.

如無熱膨脹影響,機頭壓力達到20MPa時,螺套組不會因此發(fā)生彈性失穩(wěn)甚至起鼓、開裂等故障.但機組超壓運行,對機組剪切螺釘、模板、筒體均可能造成嚴重損壞,甚至引發(fā)安全事故.

綜上所述,螺套組與螺桿軸主軸軸向線性熱膨脹量不一致是導致組合式螺桿膨脹機螺套組出現(xiàn)膨脹起鼓、開裂等故障的主要因素.

3 改進措施

3.1 增加壁厚

通過降低軸徑可適當增加加料螺套壁厚,但原螺桿主軸為變截面梁,變截面梁既可以更好的保證主軸強度又方便拆卸維護,且考慮螺桿軸主軸撓度因素,故不建議采取降低軸徑從而增加壁厚.

通過降低加料螺套螺槽深度,由此增加了螺套壁厚,此方案在結構上可行,但綜合考慮工藝生產,可能加劇返料故障,故也不予以采納.

減小加料螺套長度,以消除加工退刀槽,從而避免了壁厚5mm的薄弱環(huán),但仍沒有從根本上解決問題.

3.2 改變膨脹系數(shù)

改變主軸與螺套材質,使二者熱膨脹系數(shù)趨近,以降低螺桿軸內部受力而引起的變形.后處理主機內膠粒水腐蝕性很強,所以螺套須選用不銹鋼結構.但選用不銹鋼制造螺桿主軸,其強度低、韌性差,對螺桿軸機筒體壽命影響較大,故此方案行不通.

3.3 螺套組預留間隙

螺套組與主軸伸長量差值為1.2mm左右,在設備組裝過程,螺套組鎖緊后預留1mm間隙,機組開車前升溫過程,螺套組受熱膨脹可補償此預留間隙,預留間隙與實際伸長量差值通過螺套彈性變形及錐頂形變補償.

經過一年以上的試行,此方案切實可行、有效,組合式螺桿膨脹機螺套起鼓、開裂問題得以有效解決.

4 后續(xù)改造建議

因組合式螺桿膨脹機,在組合排列螺套時,進料螺套均不改動,故可以假定加料螺套為不可拆卸構件.螺桿軸主軸保持原階梯軸尺寸不變,增加加料段主軸軸徑,使其與原加料螺套螺棱底徑相同,加工螺棱組焊至加料段主軸,焊接段螺桿主軸做防腐噴涂處理.同時縮短各螺套長度,增加了各螺套彈性失穩(wěn)臨界載荷,螺套組受熱膨脹因素產生膨脹過程,通過錐頂螺紋伸長與各螺套彈性變形補償螺套組與螺桿主軸熱膨脹差值.壓縮段、計量段螺套組件兩側分別以軸肩及圓螺母定位.螺桿軸主軸及螺套配合結構示意圖如圖3所示.

圖3 改進后的S-705膨脹機螺桿

5 結論

螺桿軸進料段改為螺棱與主軸焊接結構,同時縮短各螺套長度,可有效避免因材質不一致帶來的膨脹形變量不一致引起的螺套出現(xiàn)膨脹起鼓、開裂等故障,消除了加料螺套薄弱處膨脹變形的問題.這對SBS后處理組合式螺桿膨脹干燥機結構上的優(yōu)化具有十分重要的意義.

有關體膨脹系數(shù)、空心圓柱及柱體的幾何形體參數(shù)對膨脹系數(shù)的影響還有待進一步研究.

[1] 丁鴻章.工程金屬材料線膨脹系數(shù)的計算[J].浙江工業(yè)大學學報,2000,28(4):358～366

[2] 苗恩銘,費業(yè)泰.兩種膨脹系數(shù)熱變形計算誤差分析[J].合肥工業(yè)大學,2003,37(9):43～45

[3] 苗恩銘,費業(yè)泰.幾何形體參量與材料二者的熱膨脹系數(shù)關系[J].合肥工業(yè)大學,2003,13(1):1～3