王麗　宋新軍　吳涵

摘要：反應(yīng)釜攪拌裝置在設(shè)計時，需要對攪拌軸進行強度計算、扭轉(zhuǎn)變形校核、臨界轉(zhuǎn)速校核，在這一系列的計算條件下，我們才能設(shè)計出一個滿足要求的攪拌軸。但是在實際使用中卻發(fā)現(xiàn)，在滿足設(shè)計計算的攪拌軸也會發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。本文通過一些案例，對出現(xiàn)這種問題的攪拌軸進行分析，提出將來在設(shè)計中需要考慮的問題，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)動電機的動力通過攪拌軸傳導(dǎo)到攪拌葉片上，實現(xiàn)攪拌反應(yīng)釜對物料進行攪拌、反應(yīng)的功能。然而在實際使用情況中發(fā)現(xiàn)，滿足設(shè)計計算及校核的攪拌軸也會經(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例進行分析，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)部的氣體達到有效的分散濃度，同時要使釜體催化劑能都達到有效懸浮，同時必須兼?zhèn)浠旌戏磻?yīng)的作用，其中最關(guān)鍵地是要達到氣體的二次利用。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行了仔細的分析，對攪拌軸的直徑進行了強度校核計算，因為是自吸式攪拌器形式，采用在空心軸上開孔進行氣液交互的結(jié)構(gòu)。我們在計算時，考慮了軸上開孔對軸強度削弱的問題，所以適當提高了安全系數(shù)所以，在理論計算上是滿足設(shè)計要求并具有一定的強度裕度的。但是在實際使用中出現(xiàn)攪拌軸連續(xù)斷裂4臺的情況。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氣孔部位，如圖2所示。

3分析結(jié)論

通過計算與分析，我們排除掉軸的強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。因為攪拌軸上下端都安裝有底部軸承，上軸承為滾動軸承，下軸承為滑動摩擦，為典型的簡支梁結(jié)構(gòu)，工作時，攪拌轉(zhuǎn)速為260rpm，加上設(shè)備攪拌軸比較長，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，當軸受到的轉(zhuǎn)矩大小及方向恒定不變時，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，當零件所受應(yīng)力高于疲勞極限時，每一次載荷循環(huán)都對零件造成一定量的損傷，并且這種損傷是可以積累的；當損傷積累到臨界值時，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，而軸的疲勞斷裂會經(jīng)歷幾個過程，首先是疲勞裂紋的萌生，然后是亞臨界擴展，最后發(fā)生失穩(wěn)擴展，所以在機器運轉(zhuǎn)半年后，疲勞裂紋逐漸的萌生、擴展，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，而且在同一段時間內(nèi)同時出現(xiàn)4臺攪拌器斷裂，所以這樣可看出是由于疲勞損傷積累造成攪拌軸在應(yīng)力薄弱點疲勞斷裂。

4預(yù)防措施

為避免在將來的設(shè)計中反應(yīng)釜攪拌軸發(fā)生斷裂損壞的問題，一是需要考慮設(shè)計過程中的嚴謹性，在設(shè)計允許的情況下合理選擇較大的安全系數(shù)；二是提前對攪拌軸是否會有疲勞斷裂的風(fēng)險進行預(yù)判，通過更換不同的加工工藝來改善材料的疲勞性能，再加上對實際操作過程中情況的分析與試驗，進行經(jīng)驗技術(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。除此之外，對攪拌器進行定期日常維護是必要的，一需檢查固定螺栓是否松動，從而防止攪拌器擺動量增大，引起反應(yīng)釜劇烈震動；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。