螺旋輸送機(jī)的斷軸原因分析及改造

王治華 繆建軍

(1.南京天華化學(xué)工程有限公司；2.中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司)

螺旋輸送機(jī)的斷軸原因分析及改造

王治華*1繆建軍2

(1.南京天華化學(xué)工程有限公司；2.中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司)

針對(duì)某PTA裝置中的螺旋輸送機(jī)突然發(fā)生的斷軸情況，分析造成斷軸的原因并提出改造方案。

螺旋輸送機(jī) 斷軸 改造

螺旋輸送機(jī)俗稱“絞龍”，是利用螺旋的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)物料在管道或料槽內(nèi)的水平或垂直輸送的一種機(jī)構(gòu)。螺旋輸送機(jī)可用于輸送粉狀、顆粒狀或小塊狀物料，相較于其他輸送設(shè)備，螺旋輸送機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，維修方便，輸送料槽封閉，對(duì)環(huán)境的污染??；可在線路的任意一點(diǎn)裝料，也可在多點(diǎn)進(jìn)行裝料和卸料等優(yōu)點(diǎn)；并且在物料輸送過(guò)程中可同時(shí)進(jìn)行混合、攪拌或冷卻等工藝操作，因此在石化、造紙、糧食、采礦及冶金等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著螺旋輸送機(jī)的廣泛應(yīng)用和研究發(fā)展，出現(xiàn)了一些新型的螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)，如變螺距、大傾角以及可伸縮等螺旋輸送裝置[1]，另外還有應(yīng)用于污泥行業(yè)的無(wú)軸螺旋輸送機(jī)等，盡管其種類日益增多，但是對(duì)螺旋輸送機(jī)在其壽命周期內(nèi)的可靠性研究和性能結(jié)構(gòu)改進(jìn)依然是目前學(xué)者的研究重點(diǎn)。路原睿等采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)螺旋軸在不同載荷條件下的受力狀況進(jìn)行分析，并采用循環(huán)載荷下的疲勞應(yīng)力評(píng)定方法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了評(píng)定，結(jié)論認(rèn)為螺旋軸結(jié)構(gòu)能夠滿足壽命要求[2]。張智慧分析了實(shí)現(xiàn)物料傾角輸送的柔性螺旋輸送機(jī)撓性螺旋體(彈簧)斷裂的原因，通過(guò)更換其材料和結(jié)構(gòu)型式解決了彈簧斷裂的問(wèn)題[3]。

基于對(duì)螺旋輸送機(jī)的可靠性研究，筆者以某項(xiàng)目PTA裝置干燥機(jī)入口的螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)改造為例進(jìn)行分析，對(duì)改造之前的螺旋輸送機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和受力分析找出造成螺旋軸斷裂的原因，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了相應(yīng)的改造方案。

1 改造前結(jié)構(gòu)與斷軸原因

該螺旋輸送機(jī)位于PTA裝置干燥機(jī)入口，用于輸送PTA濾餅(含水15%)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 改造前螺旋輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

螺旋輸送機(jī)的軸管采用304L無(wú)縫鋼管，葉片采用10mm厚的鋼板拉制成形，螺旋軸的跨度即兩端軸承之間的距離為8 350mm。因跨度較大，為防止軸管中間部位變形過(guò)大，故采用前端軸承、尾部軸承加中間吊掛軸承的三點(diǎn)支撐形式。設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)安裝投入運(yùn)行后不到一年的時(shí)間，螺旋軸就從中間發(fā)生斷裂；此螺旋輸送機(jī)為PTA干燥裝置中的重要輸送設(shè)備，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)裝置停產(chǎn)，給工廠造成很大的損失，故業(yè)主要求立刻進(jìn)行斷軸原因分析和結(jié)構(gòu)改造。

通過(guò)對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況的綜合分析，認(rèn)為導(dǎo)致螺旋軸斷裂的原因有兩方面的因素：首先，由于螺旋軸跨距較大，由前端軸承、尾部軸承加中間軸承支撐的螺旋軸力學(xué)模型簡(jiǎn)化為三點(diǎn)支撐的靜不定梁，如果在加工制造或裝配過(guò)程中，不能保證三點(diǎn)同心，則會(huì)造成軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中各處受力不均，導(dǎo)致中間吊掛軸承處產(chǎn)生較大的附加載荷，長(zhǎng)期高速運(yùn)轉(zhuǎn)下最終造成此處的疲勞斷裂；其次，由于介質(zhì)中含有醋酸和設(shè)備運(yùn)行中的定期堿洗，會(huì)對(duì)軸管和葉片造成不同程度的腐蝕，這對(duì)軸的強(qiáng)度也有一定的削弱。

2 改造方案和分析

改造在原裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行，故輸送距離不變，考慮到單根軸跨距較長(zhǎng)，變形較大，無(wú)法保證軸的剛度，同時(shí)為避免出現(xiàn)之前的三點(diǎn)支撐時(shí)同心度偏差過(guò)大的問(wèn)題，最終改造方案為：將螺旋軸分為兩段，每段采用一個(gè)外部軸承和一個(gè)吊掛軸承支撐，每根軸單獨(dú)設(shè)置驅(qū)動(dòng)裝置，保證原來(lái)的輸送距離和設(shè)計(jì)輸送量不變，改造前后的螺旋軸參數(shù)對(duì)比見表1，螺旋輸送機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 改造前后螺旋軸基本參數(shù)對(duì)比表

圖2 改造后螺旋輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 螺旋軸分段設(shè)計(jì)

改造后的螺旋輸送機(jī)將螺旋軸分成兩段，單根軸的長(zhǎng)度縮短，跨度減小，軸的最大撓度減小，剛度提高。對(duì)于螺旋軸的強(qiáng)度計(jì)算，通常將螺旋軸簡(jiǎn)化為承受均布載荷的簡(jiǎn)支梁模型，其最大撓度在梁的中間，最大撓度為[4]：

此處主要考慮由于軸管、葉片自重產(chǎn)生的均布載荷。從表1可比較出，α和q變化較小，對(duì)撓度的影響不大，撓度的變化主要取決于跨度。改造后的方案中軸的跨度約為原來(lái)的一半，則軸的最大撓度約減小為原來(lái)的1/16。撓度大幅減小，在相同條件下，軸的撓度越小，其壽命越長(zhǎng)[5]。在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中，對(duì)于此類傳動(dòng)軸通常要求軸的允許撓度不超過(guò)軸支撐跨距的0.000 3～0.000 5，設(shè)計(jì)時(shí)須詳細(xì)計(jì)算軸的最大撓度不超過(guò)允許范圍，另外還須對(duì)軸的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，保證其強(qiáng)度和剛度滿足傳動(dòng)的機(jī)械性能要求。改造后的方案軸的剛性增強(qiáng)，其使用壽命延長(zhǎng)。

2.2 三點(diǎn)支撐變兩點(diǎn)支撐

改進(jìn)后的方案中采用兩點(diǎn)支撐，軸的同心度容易得到保證，便于制造和安裝。對(duì)于原方案中三點(diǎn)支撐的軸來(lái)說(shuō)，支撐點(diǎn)的任意微小變形都會(huì)使軸三點(diǎn)的同心度差異增大，且三點(diǎn)不同軸所產(chǎn)生的附加力隨軸的變形量和剛度而增加[6]，有時(shí)產(chǎn)生的附加力甚至超過(guò)工作載荷數(shù)倍以上，在軸連續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，很容易造成中間軸承的磨損和發(fā)熱，最終導(dǎo)致中間軸承損壞或者導(dǎo)致軸在此處斷裂。在此類長(zhǎng)跨距支撐梁的設(shè)計(jì)中，若兩點(diǎn)支撐時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，選用的軸承和軸的剛度能夠滿足要求，應(yīng)盡量避免采用三點(diǎn)支撐，以避免靜不定問(wèn)題的出現(xiàn)。

2.3 吊掛軸承的材料選擇和密封設(shè)計(jì)

中間吊掛軸承設(shè)計(jì)成分半形式(圖3)，軸瓦采用304L，軸套采用Rulon材料制成，此種材料可耐酸、堿腐蝕，采用此種材料制成的軸套具有優(yōu)良的耐磨性和自潤(rùn)滑性能，這樣就可從根本上保證中間吊掛軸承的機(jī)械性能。軸承座與軸瓦之間用緊定螺釘進(jìn)行固定，防止此二者之間的相對(duì)滑動(dòng)，減少對(duì)軸瓦的磨損；設(shè)置填料密封，防止物料進(jìn)入軸承內(nèi)，保護(hù)軸承；在螺旋輸送機(jī)殼體上開設(shè)檢修口，便于安裝檢修更換軸承或清理物料。

圖3 吊掛軸承結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 螺旋軸分段

將螺旋軸分成兩段后，對(duì)每根軸來(lái)說(shuō)輸送距離減小，在相同輸送量的條件下，軸功率減小。對(duì)于每根新的螺旋軸來(lái)說(shuō)，所需電機(jī)功率降低，電機(jī)減速機(jī)型號(hào)降低。由于兩根軸各自單獨(dú)配備驅(qū)動(dòng)裝置，因此采用電機(jī)減速機(jī)直連加鏈傳動(dòng)的方式來(lái)帶動(dòng)螺旋軸(圖4)，以達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的轉(zhuǎn)速。由于為改造項(xiàng)目，螺旋輸送機(jī)所處空間有限，故將電機(jī)底座板通過(guò)連接板、螺栓固定在螺旋輸送機(jī)的端座上，以保證鏈輪中心距可調(diào)，并在端座上增加筋板以提高其剛度。由于端座與殼體端法蘭通過(guò)螺栓連接，考慮到電機(jī)、減速機(jī)的重量對(duì)端座造成的附加彎矩較大，因而將螺旋輸送機(jī)殼體的端法蘭延伸至底面，并增設(shè)筋板，設(shè)置成殼體端座，增加其剛性，提高承載能力。

圖4 驅(qū)動(dòng)裝置示意圖

2.5 設(shè)置滑動(dòng)支座

螺旋輸送機(jī)輸送物料的工作溫度為100℃，設(shè)計(jì)溫度為120℃，考慮到筒體和軸的熱膨脹，將左側(cè)端座設(shè)置為固定端座，固定端座直接與底座板通過(guò)螺栓連接，殼體上其余支座和右端座均設(shè)置為可滑動(dòng)端座，殼體支腿和右端座底板在壓板下可軸向自由移動(dòng)，這樣就保證了殼體的軸向熱膨脹，釋放了熱應(yīng)力，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 滑動(dòng)支座示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

改造后的螺旋輸送機(jī)安裝投入使用后，截止目前已運(yùn)行兩年，運(yùn)行狀況良好，未發(fā)生斷軸或其他質(zhì)量問(wèn)題，保證了整套裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，損失降低，收益提高，得到用戶的認(rèn)可。除了可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，對(duì)軸的定期檢查和避免工藝負(fù)荷的大幅度波動(dòng)，也是保證安全運(yùn)行的重要條件。

[1] 高春光,陳武東,韓雪松,等.螺旋輸送器及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2001，(11): 38～39.

[2] 路原睿,馬耀宏,郭少華,等.基于疲勞分析的螺旋軸有限元分析[J].化工機(jī)械,2014,41(3): 374～376.

[3] 張智慧.柔性螺旋輸送機(jī)彈簧斷裂的故障分析[J].化工機(jī)械,2009,36(5): 515～516.

[4] 劉鴻文. 材料力學(xué)[M].北京: 高等教育出版社, 1992: 226.

[5] 張步繼.PTA干燥機(jī)供料螺旋斷軸故障分析及改進(jìn)措施[J].通用機(jī)械, 2010,(7): 38～41.

[6] 馬敬勛,夏永海,鄭建起,等.剪板機(jī)高速軸三點(diǎn)支撐靜不定問(wèn)題探討[J].山東冶金, 2004, 26(6):48～50.

*王治華，女，1984年7月生，工程師。江蘇省南京市，211178。

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