解析反應(yīng)釜攪拌軸非正常情況發(fā)生斷裂損壞原因

李寶林 鄒仁飛 阮勇

摘 要：近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，我國化工機(jī)械設(shè)備制造業(yè)也迎來了快速發(fā)展的契機(jī)。對于反應(yīng)釜攪拌裝置來說，是化工生產(chǎn)過程必不可少的設(shè)備之一。

關(guān)鍵詞：化工機(jī)械設(shè)備;反應(yīng)釜攪拌裝置;非正常情況;斷裂損壞

在反應(yīng)釜攪拌裝置當(dāng)中，攪拌軸為核心部件之一，主要負(fù)責(zé)對電機(jī)的動力進(jìn)行驅(qū)動，然后經(jīng)攪拌軸傳導(dǎo)至攪拌葉片當(dāng)中，使攪拌反應(yīng)釜能夠?qū)どa(chǎn)的物料進(jìn)行攪拌及反應(yīng)。但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)釜攪拌軸會發(fā)生斷裂損壞的問題，進(jìn)而影響裝置的正常使用及使用壽命[1]。鑒于此，本課題圍繞“反應(yīng)釜攪拌軸非正常情況發(fā)生斷裂損壞原因”進(jìn)行分析研究具備一定的價值意義。

1 反應(yīng)釜攪拌軸非正常情況發(fā)生斷裂損壞情況分析

以某化工企業(yè)為例，所使用的自吸式組合攪拌釜在使用過程中，反應(yīng)釜攪拌軸出現(xiàn)非常正常情況下的斷裂損壞問題;該自吸式組合攪拌釜的主要指標(biāo)參數(shù)為：容積為20mm3，攪拌釜直徑為Φ2400mm，攪拌器直徑為Φ650mm，電機(jī)功率為55kW，攪拌軸轉(zhuǎn)速為260r/m，攪拌軸軸徑為Φ120mm。

值得注意的是，該反應(yīng)釜攪拌裝置中的攪拌軸是在使用6個月后發(fā)生斷裂損壞問題。針對攪拌軸斷裂問題，維修專業(yè)技術(shù)人員針對其攪拌軸的直徑進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，值得注意的是由于該裝置為自吸式攪拌器，在氣液交換方面，是通過在空心軸上開孔的方式實(shí)現(xiàn)。通過深入分析，結(jié)果顯示：攪拌軸斷裂位置，即為自吸式攪拌器的進(jìn)氣孔位置。

2 斷裂損壞原因分析

針對上述提到的反應(yīng)釜攪拌軸在非正常情況下所發(fā)生的斷裂損壞問題，經(jīng)維修專業(yè)技術(shù)人員的計(jì)算及分析，將兩大原因排除之外：其一，掉軸強(qiáng)度不足問題;其二，材料質(zhì)量問題。進(jìn)一步通過分析，表明攪拌軸斷裂摘要的原因?yàn)椤捌跀嗔选保渚唧w原因如下：

由于攪拌軸上下端均安裝了底部軸承，上軸承起到滾動的作用，下軸承則起到滑動摩擦的作用，屬于簡支梁結(jié)構(gòu);處于作業(yè)期間下，攪拌轉(zhuǎn)速為260r/m，因設(shè)備攪拌軸偏長，攪拌軸上下軸度存在一些偏差，基于軸上安裝自吸式攪拌器部位因存在通氣孔，且這個部位偏薄，易形成集中應(yīng)力。

對于軸來說，處于工作期間，主要受扭矩的影響，因攪拌軸和軸度之間有偏差存在，因此當(dāng)軸處于高速作業(yè)狀態(tài)下，也會遭遇彎矩的影響;同時，值得注意的是，由彎矩所呈現(xiàn)的彎曲應(yīng)力為交變應(yīng)力;如果軸所承受的轉(zhuǎn)矩大小恒定不變，同時其方向也恒定不變，則由扭矩引發(fā)的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，根據(jù)其循環(huán)特征可知，屬于靜應(yīng)力;并且，基于氣孔部位的特殊結(jié)構(gòu)當(dāng)中，會有應(yīng)力集中情況呈現(xiàn)，這部分的應(yīng)力可能對材料的許用應(yīng)力要高;如果零件承受的應(yīng)力比疲勞極限要高，每一次的載荷循環(huán)均會對零件產(chǎn)生一定程度的損傷，且此類損傷為可積累的;如果損傷累積至臨界值，那么零件會產(chǎn)生疲勞破壞。

結(jié)合上述分析，再以線性疲勞積累理論為依據(jù)，從其中的帕姆格倫-邁因鈉定理可看出，每一次疲勞損傷在線性累加的基礎(chǔ)上，會形成總損傷;而對于軸的疲勞斷裂來說，會經(jīng)歷多個過程，具體體現(xiàn)為：其一，萌生期，即疲勞裂紋的萌生;其二，擴(kuò)展期，即亞臨界擴(kuò)展期;其三，失穩(wěn)擴(kuò)展期。

結(jié)合上述分析不難發(fā)現(xiàn)，對于反應(yīng)釜攪拌裝置，在使用6個月之后，隨著軸的疲勞斷裂時期不斷的進(jìn)展，便會導(dǎo)致其軸出現(xiàn)斷裂損壞問題，使反應(yīng)釜裝置無法繼續(xù)正常使用。

3 相關(guān)預(yù)防措施分析

根據(jù)以上對反應(yīng)釜攪拌軸發(fā)生斷裂損壞問題原因的分析，為了避免此類問題的發(fā)生，則有必要采取及時有效的預(yù)防措施，總結(jié)起來具體措施如下：

對于反應(yīng)釜攪拌裝置，在設(shè)計(jì)期間需遵守“嚴(yán)謹(jǐn)性”的態(tài)度;基于設(shè)計(jì)允許的條件下，確保設(shè)計(jì)安全系數(shù)的合理，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

針對攪拌軸，需進(jìn)行預(yù)判，即預(yù)判其有無存在疲勞斷裂的可能性;同時采取更換不同加工工藝的方式，使材料的疲勞性能得到有效改善;并且，基于實(shí)踐操作期間，還有必要加強(qiáng)分析試驗(yàn)，使反應(yīng)釜攪拌軸發(fā)生斷裂損壞的風(fēng)險降至最低化。

針對反應(yīng)釜攪拌裝置，還有必要定期進(jìn)行維護(hù)，對固定螺栓進(jìn)行檢查，觀察、分析有無松動，避免攪拌器出現(xiàn)擺動量增大的情況，進(jìn)而使反應(yīng)劇烈震動的出現(xiàn)得到有效避免;并加強(qiáng)槳葉的固定處理，確保其與攪拌軸之間維持垂直關(guān)系，將其垂直度誤差控制在<0.4%范圍內(nèi)。此外，對攪拌器是否腐蝕進(jìn)行定期檢查，并定期檢查是否存在一些質(zhì)量缺陷，比如裂紋、松脫以及變形等等;如果存在，及時對癥處理，確保反應(yīng)釜攪拌裝置運(yùn)行的質(zhì)量及安全性。

綜上所述，反應(yīng)釜攪拌軸基于非正常情況下發(fā)生斷裂損壞，其主要原因?yàn)槠跀嗔?。為了使反?yīng)釜攪拌軸斷裂損壞的發(fā)生得到有效預(yù)防，則需合理科學(xué)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)對攪拌軸在運(yùn)行期間的故障預(yù)判，并且還有必要做好定期維護(hù)作業(yè)，以此使反應(yīng)釜攪拌軸斷裂損壞的發(fā)生得到有效避免，進(jìn)一步提高反應(yīng)釜攪拌裝置的實(shí)用價值及使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]官星辰，劉航，馬魯寧，趙東亞.連續(xù)攪拌反應(yīng)釜離散模型辨識與滑?？刂芠J].控制工程，2019，26（03）：440-447.