王志文 李 超 武麗影 孫馥明 張寶巖 王海祥 李志強(qiáng)

（1.黑龍江林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江牡丹江，157000；2.哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150001；3.牡丹江醫(yī)學(xué)院圖書館，黑龍江牡丹江，157000；4.黑龍江家簡(jiǎn)互聯(lián)網(wǎng)科技有限公司，黑龍江牡丹江，157000；5.牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司機(jī)修分廠，黑龍江牡丹江，157013；6.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯，154007）

造紙機(jī)壓榨部是紙機(jī)的關(guān)鍵組成部分，紙漿通過(guò)網(wǎng)部脫水后進(jìn)入壓榨部，借助紙機(jī)上各個(gè)輥件的機(jī)械壓力進(jìn)一步脫水[1]。紙機(jī)壓榨部大多由真空壓榨組成，真空壓榨多用于中、高速紙機(jī)，而真空壓榨中必不可少的就是真空壓榨輥[2]。在本文所述的紙機(jī)壓榨部結(jié)構(gòu)中，位于真空壓榨輥上側(cè)的壓輥為石輥，位于真空壓榨輥下側(cè)的壓輥為下壓榨膠輥。真空壓榨輥的構(gòu)造與真空伏輥基本相同[3]，輥殼由青銅或不銹鋼鑄成，厚度由需要的剛度和強(qiáng)度決定。紙機(jī)的其他工作參數(shù)如車速、真空度等不變，輥殼愈厚，脫水能力愈小。高速抄紙時(shí)，毛毯和濕紙的水分被吸出后，經(jīng)過(guò)輥殼上眼孔，未到達(dá)真空室便經(jīng)過(guò)真空吸水區(qū)，然后通過(guò)離心力拋入白水盤。真空室的作用僅用于抽吸輥殼上眼孔中的空氣，輥殼越厚，抽吸空氣的體積越多。本文以紙機(jī)壓榨部真空壓榨輥為例，剖析其在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生螺栓斷裂的原因及今后將采取的預(yù)防措施。

1 真空壓榨輥螺栓斷裂故障分析

真空壓榨輥傳動(dòng)側(cè)螺栓多處折斷時(shí)，真空壓榨輥振動(dòng)較大，真空壓榨輥螺栓斷裂照片如圖1所示。由圖1可以看出，部分螺栓和螺桿已經(jīng)發(fā)生剪切式斷裂，部分螺栓由于震動(dòng)產(chǎn)生松動(dòng)掉落現(xiàn)象，此時(shí)真空壓榨輥連接端面產(chǎn)生較大裂縫，無(wú)法保證其在機(jī)臺(tái)上繼續(xù)安全使用，應(yīng)停機(jī)更換相應(yīng)輥件。

圖1 真空壓榨輥螺栓斷裂處與裂縫處Fig.1 Breaking and cracks of vacuum press roll bolts

2 螺栓斷裂原因分析

2.1 真空壓榨輥輥筒與軸發(fā)生間隙配合

在拆卸真空壓榨輥輥筒，更換斷裂螺栓的過(guò)程中，設(shè)備維護(hù)人員測(cè)量了真空壓榨輥輥筒內(nèi)徑及與之配合的軸直徑，輥筒內(nèi)徑為?422+0.70和?422+0.90，與之配合的軸直徑為?422+0.10和?422+0.20，說(shuō)明輥筒和軸的圓度均發(fā)生變形。測(cè)量后發(fā)現(xiàn)輥筒內(nèi)徑與軸直徑的配合已變成間隙配合，且配合表面出現(xiàn)磨損及劃痕，表面粗糙度大于6.3。因此輥筒和軸的圓度變形，且二者間配合變?yōu)殚g隙配合，可能是導(dǎo)致螺栓斷裂的原因之一。

2.2 真空壓榨輥所承受的線壓力過(guò)大

紙機(jī)的壓榨部由石輥、真空壓榨輥和下壓榨膠輥組成，真空壓榨輥位于石輥與下壓榨膠輥之間，圖2為壓榨部中輥位置關(guān)系圖。從圖2可以看出，石輥和下壓榨膠輥分別通過(guò)壓縮空氣給各自的氣胎加壓裝置充氣加壓[4]，再通過(guò)氣胎給真空壓榨輥施加壓力，施加力方向與力臂如圖2所示，氣胎對(duì)真空壓榨輥的壓強(qiáng)均為0.45 MPa。下機(jī)后對(duì)真空壓榨輥傳動(dòng)側(cè)的輥筒與內(nèi)芯軸進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)配合尺寸類型為間隙配合，所以其上機(jī)自轉(zhuǎn)時(shí)輥筒容易松動(dòng)，所承受的來(lái)自氣胎壓力部分將被端面負(fù)責(zé)固定的24個(gè)M16螺栓承擔(dān)。對(duì)真空壓榨輥所承受的線壓力[5]及傳動(dòng)側(cè)螺栓抗剪切強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析[6-7]。

圖2 壓榨部中輥位置關(guān)系Fig.2 Roll position relationship in the press section

針對(duì)圖2真空壓榨輥所處位置及受力情況，繪制真空壓榨輥受力簡(jiǎn)圖，如圖3所示。由圖3可知，單側(cè)石輥對(duì)真空壓榨輥的壓力F1可由式(1)～式(3)計(jì)算。

圖3 真空輥受力簡(jiǎn)圖Fig.3 Force diagram of vacuum press roll

式中，O1A1為石輥氣胎施加力Fq1力臂，取1.15 m；O1B1為真空壓榨輥被石輥施加力F1力臂，取0.48 m；P為氣胎壓強(qiáng)，取0.45 MPa；d1為氣胎直徑，取0.38 m。

通過(guò)計(jì)算可得F1=118.6 kN。石輥軸承底座面積為0.0675 m2，通過(guò)計(jì)算可知，單側(cè)真空壓榨輥受到石輥的壓強(qiáng)P1=1.75 MPa。

同理，單側(cè)壓榨下壓榨膠輥對(duì)真空壓榨輥的壓力F2可由式(4)～式(6)計(jì)算。

式中，O2A2為下壓榨膠輥氣胎施加力Fq2力臂，取0.86 m；O2B2為真空壓榨輥被下壓榨膠輥施加力F2力臂，取0.27 m；P為氣胎壓強(qiáng)，取0.45 MPa；d2為氣胎直徑，取0.36 m。

通過(guò)計(jì)算可得F2=143.3 kN。下壓榨膠輥的軸承底座面積與石輥面積相同，為0.0675 m2，通過(guò)計(jì)算可得，單側(cè)真空壓榨輥受到下壓榨膠輥的壓強(qiáng)P2=2.12 MPa。

真空壓榨輥長(zhǎng)度為1.6 m，通過(guò)計(jì)算可得，其承受線壓力分別為Fx1=F1/1.6=74 kN/m，F(xiàn)x2=F2/1.6=89 kN/m。真空壓榨輥設(shè)計(jì)承受線壓力分別為60 kN/m和90 kN/m。因此石輥和下壓榨膠輥對(duì)真空壓榨輥施加的線壓力過(guò)大，是導(dǎo)致連接螺栓斷裂的原因之一。

2.3 螺栓實(shí)際承受的剪切強(qiáng)度大于其對(duì)應(yīng)材料的許用切應(yīng)力

通過(guò)式(7)可以計(jì)算減速機(jī)輸出扭矩T。計(jì)算得出傳動(dòng)側(cè)電機(jī)的輸出扭矩T=1557.12 N·m。

式中，Q為驅(qū)動(dòng)真空壓榨輥的電機(jī)功率，取15 kW；N為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，取1472 r/min；i為減速機(jī)速比，取16∶1；k為使用系數(shù)。

當(dāng)真空壓榨輥一側(cè)端面受到轉(zhuǎn)矩T的作用時(shí)，端面將圍繞通過(guò)螺栓組的圓心與接合面相垂直的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。為了防止端面轉(zhuǎn)動(dòng)，需靠螺栓預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來(lái)抵抗轉(zhuǎn)矩T。假設(shè)各個(gè)螺栓的預(yù)緊程度相同，即各螺栓的預(yù)緊力均為F01，則各個(gè)螺栓連接處產(chǎn)生的摩擦力均相等，并假設(shè)摩擦力集中作用在螺栓中心處。為阻止接合面發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，各摩擦力應(yīng)與該螺栓的軸線到螺栓組對(duì)稱中心的連線（即力臂ri）垂直。根據(jù)作用在端面上的力矩平衡及連接輕度的條件，可得各螺栓所需的預(yù)緊力如式(8)所示[8]。通過(guò)計(jì)算可得各螺栓預(yù)緊力F01≥2.2 kN。

式中，f為接合面摩擦系數(shù)，取0.15；ri為第i個(gè)螺栓的軸線到螺栓組對(duì)稱中心的距離，取0.235 m；z為螺栓數(shù)目，取24；KS為防滑系數(shù)，取1.2。

由上述可知，電機(jī)提供的扭矩對(duì)于螺栓的斷裂存在一定的影響，考慮到與真空壓榨輥的配合方式為間隙配合，當(dāng)真空壓榨輥工作轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)時(shí)，受傳動(dòng)側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的影響，間隙處必然存在碰撞，因此端面固定螺栓易產(chǎn)生疲勞斷裂。

螺栓桿的抗剪切強(qiáng)度可由式(9)、式(10)計(jì)算。

式中，F(xiàn)為螺栓所受的工作剪切力，由前文計(jì)算為213 kN；α為石輥與真空壓榨輥圓心連線與垂直方向夾角，取70°；d0為螺栓剪切面的直徑，取0.016 m；[τ]為螺栓材料的許用切應(yīng)力，MPa。

通過(guò)計(jì)算，當(dāng)真空壓榨輥件實(shí)際運(yùn)行受到壓力時(shí)，螺栓實(shí)際承受的剪切強(qiáng)度τ=83 MPa，該數(shù)值大于M16螺栓的許用切應(yīng)力[τ]=65.5 MPa，因此螺栓在上機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論

本文通過(guò)測(cè)量、受力分析和相關(guān)計(jì)算，研究了真空輥螺栓斷裂的原因，并提出了今后應(yīng)采取的預(yù)防措施。

3.1 真空壓榨輥下機(jī)維護(hù)更換斷裂螺栓時(shí)，通過(guò)測(cè)量輥筒內(nèi)徑與其配合的軸徑，判斷此時(shí)的配合類型為間隙配合。在生產(chǎn)過(guò)程中，由于輥筒自轉(zhuǎn)，引起其自身輥件配合處發(fā)生碰撞，導(dǎo)致螺栓斷裂。

3.2 經(jīng)過(guò)受力分析，石輥和下壓榨膠輥在給真空壓榨輥加壓的過(guò)程中導(dǎo)致真空壓榨輥所承受的線壓力過(guò)大，其受力不均，導(dǎo)致螺栓斷裂。

3.3 通過(guò)對(duì)螺栓桿的剪切強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，M16螺栓實(shí)際承受的剪切強(qiáng)度大于其對(duì)應(yīng)材料的許用切應(yīng)力，導(dǎo)致螺栓斷裂。

3.4 防止真空壓榨輥螺栓斷裂的相應(yīng)預(yù)防措施如下：①可將真空壓榨輥內(nèi)芯車削鑲套，使之與輥筒形成公差范圍內(nèi)的過(guò)盈配合，使輥筒與內(nèi)芯配合更緊密，并將輥筒和輥芯配合的圓周均分成4份，配作圓鍵，降低輥件所承受的螺栓的橫向載荷；②新真空壓榨輥件上機(jī)時(shí)，調(diào)校速差時(shí)壓力盡量控制在可控范圍內(nèi)，以避免因加壓狀態(tài)調(diào)校速差對(duì)輥件線壓力及扭矩發(fā)生變化，對(duì)相關(guān)各部位造成損壞；③利用停機(jī)待產(chǎn)時(shí)間將輥件端面螺栓定期更換，防止因螺栓銹蝕造成螺栓材料屈服極限下降，從而避免螺栓折斷。