王治華 繆建軍

(1.南京天華化學工程有限公司；2.中國石化儀征化纖股份有限公司)

螺旋輸送機的斷軸原因分析及改造

王治華*1繆建軍2

(1.南京天華化學工程有限公司；2.中國石化儀征化纖股份有限公司)

針對某PTA裝置中的螺旋輸送機突然發(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 斷軸 改造

螺旋輸送機俗稱“絞龍”，是利用螺旋的旋轉運動實現(xiàn)物料在管道或料槽內(nèi)的水平或垂直輸送的一種機構。螺旋輸送機可用于輸送粉狀、顆粒狀或小塊狀物料，相較于其他輸送設備，螺旋輸送機具有結構簡單，制造成本低，維修方便，輸送料槽封閉，對環(huán)境的污染??；可在線路的任意一點裝料，也可在多點進行裝料和卸料等優(yōu)點；并且在物料輸送過程中可同時進行混合、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)得到了廣泛的應用。

隨著螺旋輸送機的廣泛應用和研究發(fā)展，出現(xiàn)了一些新型的螺旋輸送機結構，如變螺距、大傾角以及可伸縮等螺旋輸送裝置[1]，另外還有應用于污泥行業(yè)的無軸螺旋輸送機等，盡管其種類日益增多，但是對螺旋輸送機在其壽命周期內(nèi)的可靠性研究和性能結構改進依然是目前學者的研究重點。路原睿等采用有限元分析軟件ANSYS對螺旋軸在不同載荷條件下的受力狀況進行分析，并采用循環(huán)載荷下的疲勞應力評定方法對計算結果進行了評定，結論認為螺旋軸結構能夠滿足壽命要求[2]。張智慧分析了實現(xiàn)物料傾角輸送的柔性螺旋輸送機撓性螺旋體(彈簧)斷裂的原因，通過更換其材料和結構型式解決了彈簧斷裂的問題[3]。

基于對螺旋輸送機的可靠性研究，筆者以某項目PTA裝置干燥機入口的螺旋輸送機結構改造為例進行分析，對改造之前的螺旋輸送機進行結構和受力分析找出造成螺旋軸斷裂的原因，并在此基礎上進一步提出了相應的改造方案。

1 改造前結構與斷軸原因

該螺旋輸送機位于PTA裝置干燥機入口，用于輸送PTA濾餅(含水15%)，其結構如圖1所示。

圖1 改造前螺旋輸送機的結構示意圖

螺旋輸送機的軸管采用304L無縫鋼管，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大，故采用前端軸承、尾部軸承加中間吊掛軸承的三點支撐形式。設備在現(xiàn)場安裝投入運行后不到一年的時間，螺旋軸就從中間發(fā)生斷裂；此螺旋輸送機為PTA干燥裝置中的重要輸送設備，一旦出現(xiàn)問題，就會導致整個裝置停產(chǎn)，給工廠造成很大的損失，故業(yè)主要求立刻進行斷軸原因分析和結構改造。

通過對設備的設計、制造及現(xiàn)場運行情況的綜合分析，認為導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模型簡化為三點支撐的靜不定梁，如果在加工制造或裝配過程中，不能保證三點同心，則會造成軸在運轉過程中各處受力不均，導致中間吊掛軸承處產(chǎn)生較大的附加載荷，長期高速運轉下最終造成此處的疲勞斷裂；其次，由于介質(zhì)中含有醋酸和設備運行中的定期堿洗，會對軸管和葉片造成不同程度的腐蝕，這對軸的強度也有一定的削弱。

2 改造方案和分析

改造在原裝置基礎上進行，故輸送距離不變，考慮到單根軸跨距較長，變形較大，無法保證軸的剛度，同時為避免出現(xiàn)之前的三點支撐時同心度偏差過大的問題，最終改造方案為：將螺旋軸分為兩段，每段采用一個外部軸承和一個吊掛軸承支撐，每根軸單獨設置驅(qū)動裝置，保證原來的輸送距離和設計輸送量不變，改造前后的螺旋軸參數(shù)對比見表1，螺旋輸送機結構如圖2所示。

表1 改造前后螺旋軸基本參數(shù)對比表

圖2 改造后螺旋輸送機的結構示意圖

2.1 螺旋軸分段設計

改造后的螺旋輸送機將螺旋軸分成兩段，單根軸的長度縮短，跨度減小，軸的最大撓度減小，剛度提高。對于螺旋軸的強度計算，通常將螺旋軸簡化為承受均布載荷的簡支梁模型，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的一半，則軸的最大撓度約減小為原來的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[5]。在機械設計手冊中，對于此類傳動軸通常要求軸的允許撓度不超過軸支撐跨距的0.000 3～0.000 5，設計時須詳細計算軸的最大撓度不超過允許范圍，另外還須對軸的強度和剛度進行詳細計算，保證其強度和剛度滿足傳動的機械性能要求。改造后的方案軸的剛性增強，其使用壽命延長。

2.2 三點支撐變兩點支撐

改進后的方案中采用兩點支撐，軸的同心度容易得到保證，便于制造和安裝。對于原方案中三點支撐的軸來說，支撐點的任意微小變形都會使軸三點的同心度差異增大，且三點不同軸所產(chǎn)生的附加力隨軸的變形量和剛度而增加[6]，有時產(chǎn)生的附加力甚至超過工作載荷數(shù)倍以上，在軸連續(xù)高速運轉過程中，很容易造成中間軸承的磨損和發(fā)熱，最終導致中間軸承損壞或者導致軸在此處斷裂。在此類長跨距支撐梁的設計中，若兩點支撐時結構設計合理，選用的軸承和軸的剛度能夠滿足要求，應盡量避免采用三點支撐，以避免靜不定問題的出現(xiàn)。

2.3 吊掛軸承的材料選擇和密封設計

中間吊掛軸承設計成分半形式(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)良的耐磨性和自潤滑性能，這樣就可從根本上保證中間吊掛軸承的機械性能。軸承座與軸瓦之間用緊定螺釘進行固定，防止此二者之間的相對滑動，減少對軸瓦的磨損；設置填料密封，防止物料進入軸承內(nèi)，保護軸承；在螺旋輸送機殼體上開設檢修口，便于安裝檢修更換軸承或清理物料。

圖3 吊掛軸承結構示意圖

2.4 螺旋軸分段

將螺旋軸分成兩段后，對每根軸來說輸送距離減小，在相同輸送量的條件下，軸功率減小。對于每根新的螺旋軸來說，所需電機功率降低，電機減速機型號降低。由于兩根軸各自單獨配備驅(qū)動裝置，因此采用電機減速機直連加鏈傳動的方式來帶動螺旋軸(圖4)，以達到設計所要求的轉速。由于為改造項目，螺旋輸送機所處空間有限，故將電機底座板通過連接板、螺栓固定在螺旋輸送機的端座上，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螺栓連接，考慮到電機、減速機的重量對端座造成的附加彎矩較大，因而將螺旋輸送機殼體的端法蘭延伸至底面，并增設筋板，設置成殼體端座，增加其剛性，提高承載能力。

圖4 驅(qū)動裝置示意圖

2.5 設置滑動支座

螺旋輸送機輸送物料的工作溫度為100℃，設計溫度為120℃，考慮到筒體和軸的熱膨脹，將左側端座設置為固定端座，固定端座直接與底座板通過螺栓連接，殼體上其余支座和右端座均設置為可滑動端座，殼體支腿和右端座底板在壓板下可軸向自由移動，這樣就保證了殼體的軸向熱膨脹，釋放了熱應力，具體結構如圖5所示。

圖5 滑動支座示意圖

3 結束語

改造后的螺旋輸送機安裝投入使用后，截止目前已運行兩年，運行狀況良好，未發(fā)生斷軸或其他質(zhì)量問題，保證了整套裝置的穩(wěn)定運行，損失降低，收益提高，得到用戶的認可。除了可靠的結構設計外，對軸的定期檢查和避免工藝負荷的大幅度波動，也是保證安全運行的重要條件。

[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].化工機械,2014,41(3): 374～376.

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

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

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

[6] 馬敬勛,夏永海,鄭建起,等.剪板機高速軸三點支撐靜不定問題探討[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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