谷海明，潘繼斐，胡 彬

（云南磷化集團(tuán)?？诹讟I(yè)有限公司，云南 昆明 650113）

云南磷化集團(tuán)?？诹讟I(yè)有限公司白酸廠2012年建成投產(chǎn)1套濕法磷酸凈化裝置，主要任務(wù)是生產(chǎn)工業(yè)級(jí)凈化磷酸。裝置分為凈化和濃縮2個(gè)工序。影響凈化磷酸品質(zhì)和產(chǎn)量的因素較多，但核心在凈化工序。預(yù)洗滌塔是凈化工序控制產(chǎn)品指標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備，其工作方式：由安裝在塔頂?shù)恼駝?dòng)裝置通過主軸帶動(dòng)塔內(nèi)件以一定頻率做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，促使塔內(nèi)兩相介質(zhì)充分混合洗滌，達(dá)到工藝指標(biāo)控制要求。預(yù)洗滌塔振動(dòng)裝置由電機(jī)、減速機(jī)和偏心組件等組成。

預(yù)洗滌塔裝置建成投用后其功能基本能滿足工藝生產(chǎn)要求，但塔頂振動(dòng)裝置故障率較高，振動(dòng)裝置發(fā)生故障后，不能帶動(dòng)塔內(nèi)件上下運(yùn)動(dòng)，會(huì)明顯降低設(shè)備洗滌能力，影響產(chǎn)品指標(biāo)；同時(shí)塔內(nèi)物料因沒有攪動(dòng)，沉積結(jié)垢速率加快，引起塔內(nèi)件堵塞，明顯縮短凈化工序運(yùn)行周期，降低凈化磷酸品質(zhì)和產(chǎn)量。因此，降低預(yù)洗滌塔振動(dòng)裝置故障率，成為提高凈化磷酸品質(zhì)和產(chǎn)量的一個(gè)亟待解決的問題。

1 振動(dòng)裝置故障原因分析

結(jié)合2013—2015年濕法磷酸凈化裝置運(yùn)行實(shí)際情況，預(yù)洗滌塔振動(dòng)裝置故障主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：一是偏心飛輪組件主軸易斷裂（1年斷裂約8次）；二是電機(jī)和減速機(jī)壽命短，主要是配合處鍵槽損壞；三是偏心主軸中間滾動(dòng)軸承易損壞（1年損壞約4次）。

1.1 偏心飛輪組件主軸斷裂原因分析

濕法磷酸凈化工序還配套建設(shè)有3臺(tái)與預(yù)洗滌塔結(jié)構(gòu)完全一致的塔設(shè)備，其運(yùn)行情況表明只要定期維護(hù)保養(yǎng)，除預(yù)洗滌塔振動(dòng)裝置外，其他振動(dòng)裝置在運(yùn)行過程中基本不會(huì)發(fā)生故障，這表明該振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)形式在設(shè)計(jì)上是可行的。預(yù)洗滌塔振動(dòng)裝置故障頻發(fā)的原因主要與其內(nèi)部工況變化有關(guān)。

工藝分析：預(yù)洗滌塔內(nèi)兩相介質(zhì)在充分混合、洗滌過程中會(huì)反應(yīng)生成硫酸鋇沉淀附著在篩板上，凈化工序運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，篩板上的沉淀物越多，導(dǎo)致振動(dòng)裝置提升負(fù)載增大，當(dāng)負(fù)載增大到超過偏心飛輪組件主軸承受極限時(shí)，主軸發(fā)生斷裂，振動(dòng)裝置發(fā)生故障。而其他3個(gè)塔內(nèi)不會(huì)發(fā)生此化學(xué)反應(yīng)，振動(dòng)裝置負(fù)荷基本不會(huì)變化，所以設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

1.2 減速機(jī)、電機(jī)損壞原因分析

減速機(jī)、電機(jī)損壞主要是指電機(jī)軸和減速機(jī)輸入軸配合處鍵槽損壞，引起傳動(dòng)失效。原因分析：振動(dòng)裝置由電機(jī)+減速機(jī)+偏心飛輪組件構(gòu)成，通過連桿使塔內(nèi)篩板做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由于篩板上下運(yùn)動(dòng)時(shí)連桿所需輸出的力矩不一樣，在極限位置存在較大的沖擊，且隨著篩板積料，振動(dòng)裝置負(fù)載逐漸增加，沖擊也逐漸增大。因電機(jī)與減速機(jī)為鍵槽配合，無減振措施，導(dǎo)致沖擊傳到驅(qū)動(dòng)端后只能靠彼此硬性碰撞消除，這樣給配合處鍵槽帶來非常大的破壞性，并產(chǎn)生很大的噪聲，長(zhǎng)期運(yùn)行，鍵槽極易損壞，導(dǎo)致傳動(dòng)失效。

1.3 偏心主軸中間滾動(dòng)軸承損壞原因分析

偏心主軸中間滾動(dòng)軸承損壞大多表現(xiàn)為保持架斷裂，可能原因有3點(diǎn)：一是預(yù)洗滌塔振動(dòng)裝置在使用過程中，因負(fù)載發(fā)生變化，軸承承載能力不足，發(fā)生損壞；二是塔內(nèi)篩板上下運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，加速軸承損壞；三是軸承安裝過程中的施工缺陷。

2 解決措施

2.1 偏心飛輪組件主軸斷裂解決措施

因負(fù)載變化在濕法磷酸凈化工序是不可避免的，所以要解決偏心飛輪組件主軸斷裂問題，只能從提高主軸強(qiáng)度入手。為保障現(xiàn)場(chǎng)安裝尺寸不變，只需對(duì)主軸的強(qiáng)度進(jìn)行重新設(shè)計(jì)即可。

2.1.1 偏心飛輪組件主軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)

偏心飛輪組件主軸的原始設(shè)計(jì)尺寸如圖1所示，材質(zhì)為40Cr（調(diào)質(zhì)），實(shí)心軸。

圖1 偏心飛輪組件主軸原設(shè)計(jì)尺寸

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，偏心飛輪組件主軸可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，兩端軸承為支點(diǎn)，最大受力點(diǎn)位于C-C截面上，最大彎矩也產(chǎn)生在C-C截面。因兩端軸承之間結(jié)構(gòu)按C-C截面大體對(duì)稱分布，A-A、B-B距C-C截面近，彎矩大且可能存在因配合和圓角過渡引起的應(yīng)力集中，故需要對(duì)這3個(gè)截面的最小軸徑進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。根據(jù)軸的工作形式，強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算［1］。

軸徑d（mm）：

彎矩M（N·mm）：

扭矩T（N·mm）：

F為篩板積料后最大重量減去浸泡在塔內(nèi)所受浮力，約為300 000N；X為各計(jì)算截面到偏心軸左端軸承中心點(diǎn)的距離，mm；切應(yīng)力校正系數(shù)α=1；查表得40Cr（調(diào)質(zhì)）許用彎曲應(yīng)力[σ-1]=70MPa。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為90 kW，轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，減速機(jī)速比為12，效率為0.95，代入公式（3）計(jì)算得傳遞給偏心軸的扭矩T=6 620 473N·mm。

將以上數(shù)據(jù)代入公式（1）、（2），可分別計(jì)算出：dmin（A-A）=99mm；dmin（B-B）=110mm；dmin（C-C）=126mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)主軸各危險(xiǎn)截面軸徑均大于最小設(shè)計(jì)尺寸，表明偏心飛輪組件主軸設(shè)計(jì)尺寸在理論上可以滿足振動(dòng)裝置正常工作要求。但偏心飛輪組件主軸在使用過程中斷裂較頻繁，且大部分從B-B截面發(fā)生脆性斷裂，分析原因主要有兩點(diǎn)：（1）軸徑由B-B截面過渡到A-A截面為偏心設(shè)計(jì)，有6mm的軸線偏差，導(dǎo)致偏心飛輪組件在極限提升位置存在動(dòng)力沖擊，因塔板負(fù)荷不斷增大，軸所受的沖擊也不斷變大，這樣易降低軸的疲勞強(qiáng)度；（2）C-C截面過渡到B-B截面，尺寸變化較大，存在圓角，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，削弱軸的抗拉強(qiáng)度。針對(duì)以上分析結(jié)果，為延長(zhǎng)偏心軸使用壽命，決定將新軸各截面尺寸在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上放大1.2倍，圓整后結(jié)果如圖2所示。

圖2 偏心飛輪組件主軸改造后尺寸

2.1.2 疲勞強(qiáng)度校核

原偏心主軸在實(shí)際運(yùn)行中，易在B-B截面發(fā)生斷裂，所以尺寸改造后還需要對(duì)該截面進(jìn)行疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核。要求：危險(xiǎn)截面安全系數(shù)S>許用安全系數(shù)［S］（1.5～1.8）。

安全系數(shù)S：

式中σ-1——材料彎曲疲勞極限，查表得335MPa；

M、T——危險(xiǎn)截面上彎矩和轉(zhuǎn)矩，N·mm；

W、WT——危險(xiǎn)截面上抗彎和抗扭截面模量，mm3，根據(jù)B-B截面形狀，W≈0.1d3=304 862.5 mm3，WT=2W=609 725mm3；

Kσ、Kτ——彎曲和剪切疲勞極限的綜合影響系數(shù)，查手冊(cè)分別取3.39、2.24。

將上述數(shù)據(jù)代入式（4），求得：SB-B=2.5>[S]，改造后軸的強(qiáng)度滿足要求。

2.2 減速機(jī)、電機(jī)損壞解決措施

振動(dòng)裝置在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的周期性沖擊是導(dǎo)致減速機(jī)、電機(jī)損壞的主要原因，化解沖擊是解決問題的根本途徑。為此，白酸廠引進(jìn)了一套型號(hào)為FGC17.0S的麥格鈉永磁渦流柔性傳動(dòng)聯(lián)軸器，安裝在電機(jī)輸出軸與減速機(jī)輸入軸之間，取代了原來電機(jī)與減速機(jī)的剛性連接。這種傳動(dòng)方式采用氣隙傳遞扭矩，做到能量的空中傳遞，這樣負(fù)載側(cè)的振動(dòng)就不會(huì)傳遞到電機(jī)側(cè)，大大降低了剛性聯(lián)軸器的振動(dòng)放大效應(yīng)，可以有效解決因周期沖擊導(dǎo)致的減速機(jī)、電機(jī)故障問題。同時(shí)該型聯(lián)軸器安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單方便，可容忍較大的安裝對(duì)中誤差，最大偏差可達(dá)5mm，且沒有傳動(dòng)效率的損失，永磁體主體部件設(shè)計(jì)壽命達(dá)20年，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，所需維護(hù)工作量小，維護(hù)費(fèi)用極低。

2.3 軸承損壞解決措施

針對(duì)軸承損壞原因，采取以下兩個(gè)措施予以解決：（1）重新選擇軸承型號(hào)，偏心軸尺寸改造后，中間軸承型號(hào)由22226改為22232，提高了軸承的承載能力；（2）規(guī)范軸承安裝，安裝前認(rèn)真檢查軸承質(zhì)量，安裝過程中，杜絕暴力施工。

3 改造效果

改造于2017年5月底完成，目前預(yù)洗滌塔振動(dòng)裝置已運(yùn)行了3年時(shí)間，除因軸承正常損壞檢修過2次外，振動(dòng)裝置未發(fā)生偏心飛輪組件主軸斷裂及減速機(jī)、電機(jī)損壞的故障，設(shè)備在運(yùn)行過程中的振動(dòng)和噪聲明顯降低。此次改造大大地降低了設(shè)備故障率，有利于穩(wěn)定生產(chǎn)，節(jié)約了檢維修費(fèi)用，取得較好成效。