反應(yīng)釜攪拌軸非正常情況發(fā)生斷裂損壞原因分析

王麗　宋新軍　吳涵

摘要：反應(yīng)釜攪拌裝置在設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)攪拌軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算、扭轉(zhuǎn)變形校核、臨界轉(zhuǎn)速校核，在這一系列的計(jì)算條件下，我們才能設(shè)計(jì)出一個(gè)滿足要求的攪拌軸。但是在實(shí)際使用中卻發(fā)現(xiàn)，在滿足設(shè)計(jì)計(jì)算的攪拌軸也會(huì)發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。本文通過一些案例，對(duì)出現(xiàn)這種問題的攪拌軸進(jìn)行分析，提出將來在設(shè)計(jì)中需要考慮的問題，從而避免這些問題的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)釜；攪拌軸；斷裂；疲勞

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.176

1前言

攪拌軸是攪拌反應(yīng)釜中的核心部件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力通過攪拌軸傳導(dǎo)到攪拌葉片上，實(shí)現(xiàn)攪拌反應(yīng)釜對(duì)物料進(jìn)行攪拌、反應(yīng)的功能。然而在實(shí)際使用情況中發(fā)現(xiàn)，滿足設(shè)計(jì)計(jì)算及校核的攪拌軸也會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)異常損壞的情況。

2問題分析

我以工作中遇到的攪拌軸斷裂的實(shí)例進(jìn)行分析，具體如下：

我公司為某化工企業(yè)研制的20立方聚氨酯設(shè)備，需要通過攪拌器使釜體內(nèi)部的氣體達(dá)到有效的分散濃度，同時(shí)要使釜體催化劑能都達(dá)到有效懸浮，同時(shí)必須兼?zhèn)浠旌戏磻?yīng)的作用，其中最關(guān)鍵地是要達(dá)到氣體的二次利用。因此，我們選擇了自吸式攪拌器的組合，攪拌軸采用單跨軸結(jié)構(gòu)，底部支撐采用滑動(dòng)軸套。具體參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

此設(shè)備在使用半年后，出現(xiàn)攪拌軸斷裂的現(xiàn)象。在攪拌軸斷裂后我們進(jìn)行了仔細(xì)的分析，對(duì)攪拌軸的直徑進(jìn)行了強(qiáng)度校核計(jì)算，因?yàn)槭亲晕綌嚢杵餍问?，采用在空心軸上開孔進(jìn)行氣液交互的結(jié)構(gòu)。我們?cè)谟?jì)算時(shí)，考慮了軸上開孔對(duì)軸強(qiáng)度削弱的問題，所以適當(dāng)提高了安全系數(shù)所以，在理論計(jì)算上是滿足設(shè)計(jì)要求并具有一定的強(qiáng)度裕度的。但是在實(shí)際使用中出現(xiàn)攪拌軸連續(xù)斷裂4臺(tái)的情況。后經(jīng)過分析，我們發(fā)現(xiàn)攪拌軸斷裂的部位正好在自吸式攪拌器處進(jìn)氣孔部位，如圖2所示。

3分析結(jié)論

通過計(jì)算與分析，我們排除掉軸的強(qiáng)度不足以及材料的問題。最終我們發(fā)現(xiàn)，攪拌軸的斷裂是由疲勞斷裂引起的。因?yàn)閿嚢栎S上下端都安裝有底部軸承，上軸承為滾動(dòng)軸承，下軸承為滑動(dòng)摩擦，為典型的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，工作時(shí)，攪拌轉(zhuǎn)速為260rpm，加上設(shè)備攪拌軸比較長(zhǎng)，攪拌軸上下同軸度有一定的偏差，在軸上安裝自吸式攪拌器的地方開了通氣孔，由圖中可以看出此處比較薄弱，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，而軸在工作過程中，主要受到扭矩影響，由于攪拌軸同軸度存在一定的偏差，所以軸在高速工作過程中軸也會(huì)受到彎矩的影響，而彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是交變應(yīng)力，當(dāng)軸受到的轉(zhuǎn)矩大小及方向恒定不變時(shí)，那么扭矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的循環(huán)特征為靜應(yīng)力，由于在氣孔處特殊的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中，使此處的應(yīng)力可能高于材料的許用應(yīng)力，當(dāng)零件所受應(yīng)力高于疲勞極限時(shí)，每一次載荷循環(huán)都對(duì)零件造成一定量的損傷，并且這種損傷是可以積累的；當(dāng)損傷積累到臨界值時(shí)，零件將發(fā)生疲勞破壞。根據(jù)線性疲勞損傷積累理論中應(yīng)用比較多的帕姆格倫一邁因納定理，總損傷是每一次疲勞損傷的線性累加，而軸的疲勞斷裂會(huì)經(jīng)歷幾個(gè)過程，首先是疲勞裂紋的萌生，然后是亞臨界擴(kuò)展，最后發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，所以在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)半年后，疲勞裂紋逐漸的萌生、擴(kuò)展，在沒有明顯的塑性變形和其他明顯征兆的情況出現(xiàn)了軸應(yīng)力集中處的疲勞斷裂，而且在同一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)4臺(tái)攪拌器斷裂，所以這樣可看出是由于疲勞損傷積累造成攪拌軸在應(yīng)力薄弱點(diǎn)疲勞斷裂。

4預(yù)防措施

為避免在將來的設(shè)計(jì)中反應(yīng)釜攪拌軸發(fā)生斷裂損壞的問題，一是需要考慮設(shè)計(jì)過程中的嚴(yán)謹(jǐn)性，在設(shè)計(jì)允許的情況下合理選擇較大的安全系數(shù)；二是提前對(duì)攪拌軸是否會(huì)有疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判，通過更換不同的加工工藝來改善材料的疲勞性能，再加上對(duì)實(shí)際操作過程中情況的分析與試驗(yàn)，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)技術(shù)積累，從而盡最大可能性避免此類非正常情況下的攪拌軸斷裂風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，對(duì)攪拌器進(jìn)行定期日常維護(hù)是必要的，一需檢查固定螺栓是否松動(dòng)，從而防止攪拌器擺動(dòng)量增大，引起反應(yīng)釜?jiǎng)×艺饎?dòng)；二需槳葉的固定和攪拌軸保持垂直，其垂直度的偏差應(yīng)保持在0.4%以內(nèi)；三需定期檢查攪拌器的腐蝕情況，有無松脫、變形和裂紋等缺陷。