李 朋 孫 濤 董 亮

（1.中國石油蘭州石化公司a.合成橡膠廠；b.化肥廠；2.天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司）

2019年6月在裝置大檢修期間， 維達(dá)三分公司檢修人員按照計劃對700#擠壓脫水機(jī)減速箱進(jìn)行解體檢查，在聯(lián)軸器脫開的過程中，發(fā)現(xiàn)擠壓機(jī)主螺旋軸鍵槽處部分金屬基體剝落，軸頭部位嚴(yán)重開裂，主軸已無法繼續(xù)使用，在無備用軸、進(jìn)口原廠家螺旋軸價格昂貴且周期長、無法滿足檢修和生產(chǎn)需要的情況下，需要對該軸裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行詳細(xì)分析，提出可行的修復(fù)方案。

1 擠壓脫水機(jī)

擠壓脫水機(jī)（圖1）主要由電機(jī)、減速箱、錐體支架、螺旋軸及腔體等組成，經(jīng)減速箱作用，將電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速由1 475r/min降至125r/min輸出，減速箱輸出軸與螺旋主軸之間采用剛性的夾殼聯(lián)軸器進(jìn)行連接。 因此，減速箱輸出軸采用對稱布置的兩組圓柱滾子推力軸承以承受擠壓脫水機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的軸向力。 主螺旋軸和籠體柵條均采用三段式設(shè)計，分為進(jìn)料段、增壓段和脫水?dāng)D出段，相應(yīng)的柵條間的間隙分別為0.045、0.030、0.015mm， 在保證水分順利擠出的同時減少橡膠膠體的損失。 擠壓脫水機(jī)尾脫水部采用帶座調(diào)心滾子軸承，用以承受擠壓脫水機(jī)工作時的徑向力和軸的不平衡擺動。

圖1 擠壓脫水機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

擠壓脫水機(jī)的主要參數(shù)如下：

螺桿直徑 355.6mm

功率 220kW

電壓 6kV

輸入轉(zhuǎn)速 1 475r/min

工作轉(zhuǎn)速 125r/min

主軸直徑 145mm

擠壓脫水機(jī)為橡膠生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，通過螺旋的旋轉(zhuǎn)擠壓和腔體容積的變化，對膠料進(jìn)行剪切、擠壓，從而起到脫除多余水分的作用。 丁腈一車間共有兩臺單螺桿擠壓脫水機(jī)， 全部采用FOMG2X-44-4CX14型擠壓機(jī)。 年產(chǎn)1.5萬噸丁腈裝置后系統(tǒng)部分由凝聚、擠壓脫水、風(fēng)送、干燥、稱重、 壓塊及包裝等單元組成， 膠乳經(jīng)凝聚、靜置、 洗滌和固定篩過濾后， 變成含水量在66%～80%之間的膠粒并進(jìn)入擠壓脫水機(jī)進(jìn)料段， 由于螺旋槽的螺距變化， 螺旋槽的容積不斷減小，膠料在螺旋的推動下不斷擠壓填實(shí)，壓強(qiáng)和溫度不斷升高，從而使多余的水分通過籠體柵條間的間隙擠出。 在擠壓脫水機(jī)的出料端，通過調(diào)節(jié)錐體與螺旋軸間的間隙，使機(jī)腔內(nèi)的溫度和壓力達(dá)到最大， 膠料呈黏流態(tài)經(jīng)過錐體后壓力迅速釋放，經(jīng)膨脹閃蒸脫水后使橡膠中的水分控制在9%～12%之間， 然后經(jīng)切刀切片造粒后由風(fēng)送系統(tǒng)送入干燥箱進(jìn)行進(jìn)一步的干燥，以得到水分和揮發(fā)分達(dá)標(biāo)的橡膠產(chǎn)品。

2裂紋產(chǎn)生的原因

擠壓脫水機(jī)主軸軸端的開裂情況如圖2所示。

圖2 擠壓脫水機(jī)主軸軸端的開裂情況

根據(jù)斷口表面裂紋放射狀線條的走向 （圖3）， 可以初步判斷出裂紋源位于鍵槽的根部；再通過對剝落區(qū)斷口形貌的觀察，發(fā)現(xiàn)斷口呈明顯的階狀，斷口表面顏色較深，存在大量的污染物質(zhì)，表面的碳化物堆積較多，說明該部位裂紋的形成時間較長，應(yīng)為裂紋的起裂點(diǎn)（即裂紋源位置）。 在裂紋1產(chǎn)生后，由于較大的工作扭矩和循環(huán)應(yīng)力的存在，應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋1迅速長大、蔓延，造成主軸在鍵槽受力側(cè)的基體剝落，鍵條接觸面積減小， 鍵槽受壓側(cè)的切應(yīng)力急劇增加；在裂紋1終止點(diǎn)， 由于截面模量的變化和應(yīng)力集中的作用，產(chǎn)生了垂直軸線方向的裂紋2、3，隨著裂紋2、3之間的貫通， 鍵槽受力的截面積進(jìn)一步減小，鍵槽的承載能力急劇降低，部分基體材料達(dá)到屈服極限后產(chǎn)生塑性變形，裂紋5、6分別沿45°方向和軸向方向形成， 裂紋間的貫穿速度增加，軸頭處的材質(zhì)劣化速率加快，符合剪切斷裂力學(xué)特征。

圖3 裂紋發(fā)展趨勢走向

2.1 疲勞應(yīng)力

疲勞應(yīng)力腐蝕的本質(zhì)是應(yīng)力和介質(zhì)腐蝕共同作用。 擠壓機(jī)螺旋軸需要承受驅(qū)動螺旋旋轉(zhuǎn)的扭矩產(chǎn)生的切應(yīng)力和橡膠加壓后產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力，以及由于對中不平衡、膠料密實(shí)度不同而導(dǎo)致的縱向壓應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩。 簡化的受力模型和應(yīng)力分布如圖4所示。 可以看出，B截面為主軸的危險截面，在實(shí)際運(yùn)行中，該截面的強(qiáng)度滿足要求，說明材料的本身是滿足運(yùn)行強(qiáng)度要求的。A截面的受力情況較為復(fù)雜， 由于對中不平衡、鍵槽加工、軸向力及扭矩傳遞等因素的影響，特別是這些力的大小與橡膠的進(jìn)料量和錐體的開度都有非常大的關(guān)系。 因此，在采用剛性聯(lián)軸器的條件下，軸端A截面會承受非常大的循環(huán)應(yīng)力，在高應(yīng)力和循環(huán)載荷的作用下，位錯密度不斷增加和累積，平面滑移帶大量增殖，造成塑性變形的累積，導(dǎo)致工件疲勞微裂紋的萌生和擴(kuò)展，在應(yīng)力集中作用下極易造成材料的疲勞失效。

圖4 簡化的受力模型和應(yīng)力分布

2.2 材質(zhì)劣化

清理后對斷口進(jìn)行觀察， 斷口整齊光亮，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的均勻腐蝕現(xiàn)象，敲擊碎片和材料附著牢固的基體，金屬聲較弱，敲擊聲沉悶，斷口符合脆性斷裂的特征。 對剝落碎片和加工后軸表面進(jìn)行顯微硬度測試， 鍵槽受力側(cè)最高為225HV，底部為215HV， 非受力側(cè)為203HV， 將軸加工至80mm后硬度值為188HV，根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)316奧氏體不銹鋼硬度應(yīng)小于200HV，所以材質(zhì)的疲勞劣化、韌性不足是產(chǎn)生脆性斷裂的主要原因。 結(jié)合對材料的硬度測定和具體工況的分析，認(rèn)為硬度的上升是加工硬化和應(yīng)力長時間作用的結(jié)果。 金屬在再結(jié)晶溫度下長時間外力作用下產(chǎn)生了晶粒的滑移和位錯的纏結(jié)，使晶粒拉長、破碎和纖維化，在金屬內(nèi)部產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力。 此外，再加工硬化使材料受影響區(qū)域的塑性和韌性降低，對于承受交變沖擊載荷的零部件，很容易產(chǎn)生裂紋。

3 修復(fù)方案的確定

由于大檢修工期和大備件供貨周期不能滿足生產(chǎn)的需要，經(jīng)與廠機(jī)動科協(xié)商討論，決定對該軸軸頭進(jìn)行修復(fù)處理。 在對該螺旋軸進(jìn)行檢測后， 軸其余部位的化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足ASTM要求， 因此考慮到技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的要求決定采用局部修復(fù)的方案。 由于該軸軸頭部位的表面裂紋較多， 所以采用車削清除表面裂紋，在軸頭距端面200mm長度范圍內(nèi)進(jìn)行車削清理的過程中，當(dāng)外徑加工至80mm時，軸的表層裂紋完全消失，表面硬度下降至200HV以下，為保證軸的整體性，初步?jīng)Q定采用鑲嵌套過盈連接的方案。

3.1 過盈連接的優(yōu)點(diǎn)

過盈連接的結(jié)構(gòu)簡單、定心精度高且承載能力強(qiáng)，工作時僅靠配合面的摩擦力即可傳遞較大的轉(zhuǎn)矩和軸向力，在沖擊、振動載荷下可以極可靠地工作， 因此在大型機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用。結(jié)合擠壓脫水機(jī)的工況，筆者認(rèn)為采用過盈連接是可靠的。

3.2 過盈尺寸的確定

3.2.1 芯軸尺寸

電機(jī)功率N=220kW，減速箱的速比i=12.5，軸的工作轉(zhuǎn)速n=125r/min， 考慮到電機(jī)和減速箱的傳動效率，則擠壓脫水機(jī)最大軸功率Ps為：

其中，Pm為電機(jī)額定功率，η1為減速箱傳動效率，η2為電機(jī)功率因數(shù)。

擠壓脫水機(jī)軸承受的最大扭矩Tmax為：

主軸材料采用316奧氏體不銹鋼，根據(jù)ASTM要求，其最小屈服強(qiáng)度［σs］=205MPa，考慮到彎矩和拉應(yīng)力在正常工作時相對于扭矩值比較小，同時也具有不確定性，因此可以采用簡化模型對芯軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。 按照相應(yīng)規(guī)范準(zhǔn)則選取安全系數(shù)的最低值k=1.5來計算材料在復(fù)雜應(yīng)力條件下的強(qiáng)度條件， 材料的許用拉應(yīng)力 ［σ］=［σs］/k=136.7MPa，許用切應(yīng)力［τ］=0.6［σ］=0.6×136.7=82MPa。

對于鑲嵌套，其抗扭截面系數(shù)Wp1為：

其中，比值α=d/D=0.55（d為芯軸直徑，D為鑲嵌套外徑）。

對于芯軸，其抗扭截面系數(shù)Wp2為：

得到鑲嵌套的最大切應(yīng)力τ1=Mt/Wp1=13.445×106÷542855=24.7MPa≤［τ］，其中Mt為軸的最大扭矩。

對于主軸部分， 其最大切應(yīng)力τ2=Mt/Wp2=13.445×106÷100480=133.80MPa＞［τ］；因此，如果按照完全依靠過盈連接的方式，芯軸部分的強(qiáng)度已不能滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的要求，而且考慮到截面應(yīng)力集中系數(shù)的問題，單純的過盈連接后連接部位材料的強(qiáng)度不夠，需要采用先脹后焊的方式提高連接部位的整體性， 充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，提高受力的可靠性。

考慮到鑲嵌套加工鍵槽后應(yīng)力集中和根部強(qiáng)度的問題， 取應(yīng)力集中系數(shù)K=3.5對鑲嵌套進(jìn)行計算，則：

則芯軸直徑d=145×0.452=65.54mm， 因此考慮到芯軸的強(qiáng)度儲備，選擇芯軸直徑（結(jié)合面直徑）d=70mm進(jìn)行過盈連接。

3.2.2 過盈量

傳遞載荷所需的最小壓強(qiáng)pfmin為［1］：

其中，T為主軸傳遞的扭矩；μ為結(jié)合面的摩擦因數(shù)， 鋼-鋼取μ=0.14；d取70mm；lf為結(jié)合面的長度，取200mm。

零件不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大壓強(qiáng)pfmax為：

其中，νi、νe為材料的泊松比；Ei、Ee為材料的彈性模量，對于奧氏體不銹鋼，E=220GPa；計算得到δmin為：

零件不產(chǎn)生塑性變形時所允許的最大過盈量δmax為：

初選基本過盈量δb≈（δmin+δmax）/2=0.0635mm。對于擠壓脫水機(jī)的主軸， 如果選擇較大的過盈量，則會導(dǎo)致裝配困難，且對軸和孔的表面加工精度要求較高。 實(shí)際上在采用先脹后焊的連接方式時，希望得到更多的是材料的強(qiáng)度儲備，因此取δmin＜δb＜（δmin+δmax）/2，即過盈量選擇0.06mm。

4 結(jié)束語

擠壓脫水機(jī)檢修完投入使用后，擠壓脫水機(jī)運(yùn)行情況良好，設(shè)備振動和電流波動情況較以前有了一定的改善，說明擠壓脫水機(jī)主軸的對中精度對提高擠壓脫水機(jī)的壽命具有重要意義。 在凝聚后系統(tǒng)停車清理期間， 對聯(lián)軸器打開后檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的變形和缺陷，說明軸頭裂紋產(chǎn)生的主要原因是疲勞和應(yīng)力導(dǎo)致的材質(zhì)劣化，采用過盈配合和焊接的方式后提高了裝配精度，因此采用該方案對擠壓脫水機(jī)主軸進(jìn)行修復(fù)是可行的。