那治國

(中國石化北京燕山分公司，北京 102500)

聚丙烯擠壓造粒機(jī)螺桿芯軸斷裂失效分析

那治國

(中國石化北京燕山分公司，北京102500)

針對某石化公司聚丙烯擠壓造粒機(jī)螺桿芯軸的斷裂失效，進(jìn)行了材質(zhì)核查、斷口分析、受力分析，結(jié)果表明：該螺桿芯軸屬于疲勞斷裂，斷裂位置發(fā)生在芯軸的固體輸送區(qū)和熔融區(qū)交界處，由于此處扭矩的施加位置、大小和方向的不連續(xù)變化，以及芯軸與混煉元件的對中和配合間隙存在問題而造成，提出改進(jìn)該螺桿芯軸工作區(qū)段的設(shè)計，以及校核和調(diào)整芯軸與混煉元件的裝配同心度和間隙的建議。

聚丙烯擠壓造粒機(jī) 螺桿芯軸 斷裂 失效分析

1 斷裂概況

某石化公司聚丙烯擠壓造粒機(jī)投用于2010年10月，2014年5月8日其螺桿芯軸發(fā)生了斷裂。該造粒機(jī)筒體工作溫度為200 ℃左右，其螺桿由芯軸及外部螺旋混煉元件組合而成，根據(jù)不同工作段的要求配有不同的螺旋混煉元件，固體輸送區(qū)的混煉元件是連續(xù)的螺旋，熔融區(qū)的混煉元件是不同取向排布的橢圓塊，如圖1所示。螺桿芯軸為花鍵軸，帶有32個模數(shù)為5、齒深5.5 mm、壓力角30度的齒，總長8 600 mm、外徑Φ169 mm、轉(zhuǎn)速為200 r/min，外形如圖1(a)所示。螺桿工作段分為固體輸送區(qū)、熔融區(qū)、熔體輸送區(qū)，也稱為加料段、壓縮段和計量段，但一般熔融區(qū)長度和壓縮段不重合，隨原料和工藝的不同而不同。該芯軸的斷裂位置在固體輸送區(qū)和熔融區(qū)的交界處，如圖1(a)中藍(lán)色箭頭所示。

2 材質(zhì)分析

開展螺桿芯軸材質(zhì)的化學(xué)成分和機(jī)械性能等核查分析，明確了：①供貨方提供的芯軸的化學(xué)成分為氫含量0.59×10-6，氧含量21×10-6；復(fù)檢氫含量0.3×10-6，氧含量16×10-6，材料的化學(xué)成分符合要求；②供貨方提供的低倍分析為中心疏松1級，其它低倍缺陷0級，夾雜物只有1級細(xì)氧化物和0.5級細(xì)硫化物，材料的潔凈度也符合要求；③供貨方提供的組織為回火索氏體和貝氏體，晶粒度8級；④供貨方提供的芯軸材質(zhì)的常規(guī)拉伸性能和沖擊性能，以及復(fù)驗結(jié)果，表明材質(zhì)性能均勻、機(jī)械性能也符合要求。

3 斷口宏觀分析

進(jìn)行螺桿芯軸斷口的宏觀分析，如圖2所示。觀察發(fā)現(xiàn)，斷口有明顯的多組不同取向的貝殼狀疲勞條紋(圖2中a、b)，存在多處疲勞起裂源(圖2中箭頭所示)。由于這兩條疲勞裂紋在不同平面上擴(kuò)展，因此，在斷口上出現(xiàn)了一個臺階。并且，圖2中c處斷口微觀形貌已模糊，說明此處先發(fā)生斷裂，在隨后的斷裂過程中發(fā)生了氧化和磨損。

圖1 螺桿芯軸與混煉元件

圖2 軸芯宏觀斷口

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，大部分齒面都有嚴(yán)重磨損，見圖3。從形態(tài)分析有些可能是拆卸過程造成的。從斷口磨損情況分析，1#齒是最后斷裂位置；2-5#齒是先出現(xiàn)損傷的，其中5#齒的斷口細(xì)節(jié)見圖4；從6#齒起，齒根裂紋源由齒右側(cè)變成了齒左側(cè)，見圖5；23#齒磨損缺失，其側(cè)面形貌見圖6，可清楚看到斷口上的疲勞條紋，說明發(fā)生了疲勞斷裂。對應(yīng)圖2中a處，在遠(yuǎn)離斷裂位置可見有兩個齒根有磨損，如圖7中箭頭所示。

圖3 齒編號

圖4 5#齒的斷口形貌

圖5 6-8#齒的斷口相貌

圖6 23#齒的疲勞斷裂

圖7 對應(yīng)圖2中a處磨損的兩齒

4 受力分析

螺桿在輸送、壓縮、熔化、均化和排氣過程中，受物料磨損和腐蝕作用使得螺桿和料筒的配合間隙過大，會不可避免的導(dǎo)致螺桿失效；另外，在擠出過程中，螺桿強(qiáng)度不足也會出現(xiàn)斷裂。花鍵軸聯(lián)接承載力分析要復(fù)雜的多，受兩個不同過程的影響：一是齒面的磨損以及配合區(qū)域間隙和偏心度的增大；二是受齒的影響動載荷會引起應(yīng)力集中和變化導(dǎo)致疲勞斷裂。設(shè)計、制造中的花鍵配合間隙可在瞬間產(chǎn)生強(qiáng)烈撞擊，致使工作面產(chǎn)生塑性變形，造成花鍵聯(lián)結(jié)失敗[4]?；ㄦI軸外花鍵與內(nèi)花鍵嚙合間隙存在問題會在工作時引起共振，致使花鍵軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂[5]。下面分析齒面損傷和齒根的彎曲疲勞。

a)齒面損傷。相關(guān)研究表明[6]漸開線花鍵副的主要損傷形式是齒面的微動磨損，而接觸應(yīng)力和相對滑移是影響花鍵副微動磨損的兩個重要參數(shù)?；ㄦI副幾何示意見圖8。漸開線花鍵副的平均接觸應(yīng)力為：

式中，Pc——平均接觸應(yīng)力，N/m2；

z——齒數(shù)；

D——分度圓直徑，m；

a1——軸向接觸長度，m；

a2——徑向接觸寬度，m；

T——施加扭矩，N·m。

圖8 花鍵副幾何示意

綜合花鍵副的接觸應(yīng)力和相對滑移分布規(guī)律可知，軸向z=a1處是花鍵副的危險位置，在該處接觸應(yīng)力和相對滑移均達(dá)到最大。

另外，花鍵軸聯(lián)接常會存在角向不對中的情況，如圖9所示，角向不對中為θ，內(nèi)花鍵軸為主動軸，外花鍵軸為從動軸。由于角向不對中的存在，導(dǎo)致花鍵軸在承受扭矩的同時產(chǎn)生彎矩，使得花鍵副各齒受載不均，造成部分齒受載過大，極易加劇花鍵副微動磨損。角向不對中對花鍵副的微動磨損的影響比扭矩更加顯著，是花鍵副微動磨損失效的主要影響因素。

圖9 存在角向不對中的花鍵副示意

b)齒根的彎曲疲勞?；ㄦI副齒面除了受垂直于齒面的接觸應(yīng)力及剪切應(yīng)力外，還受到相切于齒面的切向應(yīng)力，即外花鍵輪齒所受的彎曲應(yīng)力。彎曲應(yīng)力是花鍵疲勞損傷的重要因素。綜合徑向和軸向彎曲應(yīng)力分布可知，外花鍵后端齒根處彎曲應(yīng)力集中較嚴(yán)重[6]。

結(jié)合上述分析，該螺桿芯軸的斷裂位置在固體輸送區(qū)和熔融區(qū)的交界處，在固體輸送區(qū)的混煉元件是螺旋型的，沿不同截面的扭矩施加位置是連續(xù)變化的；而在熔融區(qū)，混煉元件是不同角度排布的橢圓塊。這樣，在固體輸送區(qū)和熔融區(qū)的交界處，扭矩施加位置的變化突然變成不連續(xù)的，且還存在扭矩大小和方向的變化，這些變化都會傳遞到花鍵軸的齒面，使該截面處不同的齒面受到不同的影響。可見，螺桿芯軸的斷裂位置與螺桿的螺桿區(qū)段混煉元件設(shè)計有關(guān)?；ㄦI軸的漸開線齒面各處的接觸應(yīng)力大小是不同的，摩擦力也不同，沿軸長度方向的應(yīng)力分布也是不均勻的；而且在裝配同心度差的情況下，沿圓周不同的齒受力不同，個別齒的受力要大于同心裝配的情況；在裝配間隙較大時，齒面還會受到?jīng)_擊力。從圖4～圖5可見，斷口上不同齒的損傷情況不同，圖4表明5#齒是右根部疲勞起裂和左齒面接觸疲勞起裂；而圖5表明6～8#齒是左根部和右齒頂尖部疲勞起裂。另外，6#齒左齒面也有接觸疲勞起裂的痕跡，證明了該花鍵軸在運行過程中漸開線齒的兩面都受力，這種現(xiàn)象只存在于花鍵軸與螺桿區(qū)段對中不好和有間隙的情況。從圖2可見，正是齒2～8的斷裂導(dǎo)致了c區(qū)的斷裂，這是花鍵軸的早期損傷。由圖7可見有兩個齒根位置磨損嚴(yán)重，這也表明了花鍵軸的對中有問題。所用螺桿芯軸的熱加工、熱處理均符合要求，花鍵加工完成后還進(jìn)行了低載靜壓長時的矯直處理，這種工藝不會產(chǎn)生分布突變的殘余應(yīng)力，故不應(yīng)是造成花鍵軸斷裂的原因。

5 結(jié)論與建議

結(jié)合上述螺桿芯軸材質(zhì)核查、斷口分析、受力分析，獲得以下結(jié)論。

a)芯軸材質(zhì)的化學(xué)成分、金相組織、潔凈度及機(jī)械性能均符合要求。

b)芯軸斷口形貌呈現(xiàn)多組不同取向的貝殼狀疲勞條紋，存在多處疲勞起裂源，斷裂位置發(fā)生在固體輸送區(qū)和熔融區(qū)的交界處。

c)芯軸斷裂位置處，扭矩施加位置的變化突然變成不連續(xù)的，且還存在扭矩大小和方向的變化，這些變化都會傳遞到花鍵軸的齒面，使該截面處不同的齒面受到不同的影響。

總之，該螺桿芯軸失效是由于疲勞斷裂而造成，斷裂位置發(fā)生在芯軸的固體輸送區(qū)和熔融區(qū)的交界處，由于此處扭矩的施加位置、大小和方向的不連續(xù)變化，以及芯軸與混煉元件的對中和配合間隙存在問題而造成。為此，提出改進(jìn)建議：該螺桿芯軸的混煉元件螺桿區(qū)段的設(shè)計需改進(jìn)，同時，花鍵軸的裝配同心度和間隙需校核和調(diào)整。

[1] 朱復(fù)華.螺桿設(shè)計及其理論基礎(chǔ)[M]，輕工業(yè)出版社，1984.

[2] 張軼蔚，楊民，DIN5480標(biāo)準(zhǔn)漸開線花鍵聯(lián)結(jié)的設(shè)計計算[J]，機(jī)械工程師，2011(5):20-23.

[3] P.Dietz,G.Sehafer,K.Wesolowski, 陳其泰譯.花鍵軸聯(lián)接應(yīng)力和磨損特性[J].工程設(shè)計，1996(1):31-38.

[4] 黃滿香，壓路機(jī)驅(qū)動軸斷裂、花鍵齒磨損的分析與改進(jìn)[J].機(jī)電技術(shù)， 2012(8):91-94.

[5] 劉松.花鍵軸斷裂原因分析[J].失效分析與預(yù)防, 2013, 8(1):30-34.

[6] 胡正根.航空漸開線花鍵副微動損傷研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2013.

FractureFailureAnalysisofScrewCoreSpindleinaPolypropyleneSqueezingGranulator

Na Zhiguo

(SINOPEC Beijing Yanshan Petrochemical Co., Ltd., Beijing，102500)

In this paper, the fracture reason of screw core spindle in an polypropylene squeezing granulator of a petrochemical enterprise is analyzed，and the fracture analysis, material analysis and stress analysis are done. The results show that the fracture of spline screw core spindle is fatigue fracture, and that the fracture location is between the intersection of solid conveying zone and melting zone in the core spindle, and that the fracture reasons are because the applied location, size and direction of the torque discontinuous change, and the assembly concentricity and fit clearance between the spindle and mixing elements are unreasonable. So the work section of core spindle need to redesign and the assembly concentricity and fit clearance need to check and adjust.

polypropylene squeezing granulator；screw core spindle；fracture；failure analysis

2016-03-18

那治國，工程師，畢業(yè)于東北大學(xué)機(jī)械設(shè)計與理論專業(yè)，現(xiàn)在燕山石化公司從事設(shè)備管理工作。