王曉慶

（大慶石化公司化工三廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

丁二烯聚合反應(yīng)生成的順丁橡膠膠液在凝聚以后，再經(jīng)過(guò)洗膠處理去除雜質(zhì)，然后進(jìn)入螺旋式擠壓脫水機(jī)的橡膠顆粒物料含水率約在35%～55%。經(jīng)螺旋式擠壓脫水機(jī)擠壓脫水，含水率降到8%～12%。順丁橡膠生產(chǎn)負(fù)荷的調(diào)整主要根據(jù)目測(cè)振動(dòng)篩膠料量和膨脹干燥機(jī)溫度、電流和擠壓機(jī)的電流來(lái)調(diào)整擠壓機(jī)的錐體開(kāi)度。一旦螺旋式擠壓脫水機(jī)發(fā)生機(jī)械故障，后續(xù)生產(chǎn)工藝則無(wú)法進(jìn)行，會(huì)造成整個(gè)機(jī)組停機(jī)。

1 螺旋式擠壓脫水機(jī)的工作原理

螺旋式擠壓脫水機(jī)主要由7 個(gè)部分組成：框架和基座、電機(jī)、螺旋套筒、螺旋桿、減速器、加料段、調(diào)壓體。螺旋式擠壓脫水機(jī)工作原理如圖1 所示。

圖1 螺旋式擠壓脫水機(jī)工作原理

螺旋式擠壓脫水機(jī)的主要作用是用于接收含有一定水分的橡膠顆粒，經(jīng)過(guò)料斗進(jìn)入到擠壓脫水機(jī)的螺桿中，通過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)的螺桿將橡膠顆粒物料向前輸送，由于螺旋筒體與螺桿之間構(gòu)成的容積沿著螺桿軸向的方向逐漸變小，形成巨大的擠壓力，螺槽內(nèi)橡膠顆粒物料由于受力逐漸被壓實(shí)，橡膠顆粒物料中大部分水分受外力作用被機(jī)械脫水，水分從螺桿套筒上籠條間隙中被擠壓出來(lái)。橡膠顆粒物料在向前輸送過(guò)程中由于擠壓和摩擦生熱，使橡膠顆粒物料沿著旋轉(zhuǎn)套筒向前的溫度逐漸增高，在物料出口處溫度可達(dá)到100 ℃左右，在高溫的條件下橡膠顆粒物料變成熔融的流動(dòng)狀態(tài)，熔融后流動(dòng)的橡膠物料被擠壓脫水機(jī)螺桿持續(xù)地向前輸送到排料口，因此，通過(guò)擠壓脫水機(jī)使橡膠顆粒物料的含水率達(dá)到生產(chǎn)工藝所規(guī)定的程度，最后通過(guò)擠壓脫水機(jī)機(jī)頭排料口擠壓成型為標(biāo)準(zhǔn)的條狀，再經(jīng)過(guò)切刀切碎，切成一定的形狀。

調(diào)壓體安裝在螺旋式擠壓脫水機(jī)機(jī)體的末端，通過(guò)液壓傳動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求改變出料口面積的大小，出料口面積越小，橡膠顆粒物料所受的擠壓力就越大，因此，通過(guò)調(diào)壓體調(diào)節(jié)螺旋式擠壓脫水機(jī)機(jī)體內(nèi)橡膠顆粒物料所受的擠壓力，實(shí)現(xiàn)螺旋式擠壓脫水機(jī)對(duì)物料脫水率的要求。

2 螺旋式擠壓脫水機(jī)軸斷裂失效情況

螺旋式擠壓脫水機(jī)在安裝后，在橡膠生產(chǎn)裝置中正常運(yùn)行4 年多，某次生產(chǎn)波動(dòng)時(shí)突然發(fā)生主軸斷裂失效情況。在螺旋式擠壓脫水機(jī)主軸斷裂失效的瞬間，在遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)上立即顯示脫水機(jī)電流馬上降低額定數(shù)值以下，系統(tǒng)立即啟動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)，機(jī)組進(jìn)入到停機(jī)狀態(tài)。

通過(guò)維修技術(shù)人員將軸拆下，對(duì)主軸斷面情況進(jìn)行觀察：

（1）軸斷裂處位于下料段切刀安裝處，在軸上段鍵槽位置定位銷(xiāo)孔的中心線處，沿著中心線處斷裂。

（2）軸的斷裂面與軸的縱向形成近似90°的直角，軸斷裂處立面如圖2 所示，斷面比較整齊，基本上形成一個(gè)平整的平面。

圖2 主軸斷裂處立面

（3）在主軸斷裂面部分有明顯的銹蝕痕跡，在定位銷(xiāo)孔底部有明顯的直線裂紋，已斷鍵槽定位銷(xiāo)孔底部為中心有明顯的大范圍的貝殼狀的裂紋發(fā)展區(qū)，以及主軸斷裂失效的瞬間斷裂面，主軸斷裂處橫面如圖3所示。

圖3 主軸斷裂處橫面

（4）對(duì)主軸進(jìn)行宏觀檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有其他影響主軸斷裂的內(nèi)部缺陷和外部缺陷。

3 螺旋式擠壓脫水機(jī)主軸斷裂失效原因分析

3.1 螺旋式擠壓脫水機(jī)主軸斷裂部位

螺旋式擠壓脫水機(jī)主軸斷裂部位詳細(xì)剖面如圖4 所示。

圖4 主軸斷裂部位詳細(xì)剖面

3.2 主軸的支撐形式

減速機(jī)同動(dòng)力輸出主軸由一套夾持式聯(lián)軸節(jié)共同連接，它們組合在一起通過(guò)主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在下料錐孔前有相當(dāng)于滑動(dòng)軸承的前架襯套，在主軸的尾端是徑向支撐可調(diào)心軸承。

3.3 主軸斷裂失效原因分析

螺旋式擠壓脫水機(jī)主軸的最大直徑是150 mm，也是主軸斷裂處的軸直徑，軸長(zhǎng)3704 mm，主軸由合金材料0Cr17Ni4Cu4Nb 制造而成。通過(guò)測(cè)量切刀和出料口之間的間隙為45 mm，而錐孔開(kāi)度為12 mm。熔融狀態(tài)的橡膠顆粒物料在主軸螺桿的帶動(dòng)下通過(guò)擠壓脫水機(jī)機(jī)頭排料口擠壓成型為標(biāo)準(zhǔn)的條狀，正常生產(chǎn)過(guò)程中物料溫度一直處于70～100 ℃，在高溫條件下橡膠顆粒物料是柔軟的，所以，在橡膠正常生產(chǎn)過(guò)程中切刀受到的軸向力非常小，可以不予以計(jì)算。切刀受力主要是主軸螺桿帶動(dòng)切刀轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩，以及切刀剪切熔融的橡膠物料成條狀時(shí)所產(chǎn)生的阻力，這二個(gè)力之間平衡。所以，主軸在斷裂面處從力學(xué)理論上講，只受切刀對(duì)主軸的反作用扭矩，這個(gè)扭矩力的傳遞主要靠銷(xiāo)軸與平鍵。假設(shè)是由于切刀對(duì)主軸螺桿的扭矩作用，引起螺桿斷裂，依照斷裂力學(xué)與材料力學(xué)的原理，主軸軸線與斷裂面應(yīng)成近似45°的斜角，這與螺旋式擠壓脫水機(jī)主軸實(shí)際斷裂面與軸線成近似的90°直角不符合，因此，可以斷定主軸螺桿斷裂不是因?yàn)榕ぞ刈饔迷斐傻摹?/p>

鑒于主軸軸線與斷裂面成近似90°的直角，判斷分析主軸是由于受相對(duì)較小的扭矩與大彎矩合力長(zhǎng)期造成的斷裂。原因如下：主軸的長(zhǎng)徑比為3704∶50，約為24.66，所以該螺旋式擠壓脫水機(jī)主軸是細(xì)長(zhǎng)軸。主軸在只受兩個(gè)支撐點(diǎn)作用時(shí)，才是最穩(wěn)定的系統(tǒng)，稱為靜定系統(tǒng)。由于在該細(xì)長(zhǎng)的主軸上存在有3 處支撐，造成主軸的力學(xué)模型是靜不定系統(tǒng)，不夠穩(wěn)定，主軸的支撐模型如圖5 所示。而顯然該細(xì)長(zhǎng)主軸在力學(xué)上分析是不穩(wěn)定的。

圖5 主軸的支撐模型

在螺旋式擠壓脫水機(jī)正常生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，由于擠壓段內(nèi)橡膠顆粒物料不能完全充滿旋轉(zhuǎn)套筒筒體內(nèi)部，主軸螺桿在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中從四周受力不均勻，造成主軸螺桿處于彎曲狀態(tài)，同時(shí)由于中間位置的前架襯套起到支撐作用，必定會(huì)造成下料段主軸螺桿反向的彎曲，使主軸處于巨大的受力狀態(tài)，如圖6 所示。

圖6 主軸受力彎曲的支撐模型

在正常生產(chǎn)運(yùn)行中主軸處于不停的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)套筒內(nèi)主軸螺桿受力后的彎曲方向也在不斷改變，而下料段主軸螺桿的受力彎曲方向也在不斷地隨著旋轉(zhuǎn)改變，下料段主軸處受力變成脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力。而為了給切刀傳遞扭矩，設(shè)計(jì)人員在與切刀配合處的主軸螺桿上設(shè)計(jì)一個(gè)鍵槽，為了對(duì)切刀進(jìn)行準(zhǔn)確的軸向定位，又在鍵槽上加工定位銷(xiāo)孔進(jìn)行定位。銷(xiāo)孔的加工位置幾乎處于下料段主軸螺桿兩邊支撐的中間，受力最大彎矩的位置，幾乎處于脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力的中心。使得整個(gè)主軸的最薄弱處成為受力最大的部位。因此，主軸斷裂的原因是主軸薄弱處長(zhǎng)期受到較大的脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力作用下疲勞破壞的結(jié)果，是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理的原因?qū)е碌闹鬏S斷裂。

4 結(jié)束語(yǔ)

螺旋式擠壓脫水機(jī)主軸斷裂的主要原因是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理，次要原因是定位銷(xiāo)孔加工缺陷和生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)腐蝕，這些原因綜合在一起是造成螺旋式擠壓脫水機(jī)下料段主軸斷裂的全部原因。因此，要對(duì)螺旋式擠壓脫水機(jī)主軸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，采用合理的力學(xué)結(jié)構(gòu)，提高主軸加工工藝，采用新合金材料防止腐蝕，提高主軸的整體質(zhì)量，這樣才能徹底解決主軸斷裂失效問(wèn)題。