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        聚丙烯切粒機(jī)退刀原因分析及測(cè)試驗(yàn)證

        2023-07-04 01:35:04付仕勇張洪彬劉秋玲
        化工機(jī)械 2023年3期
        關(guān)鍵詞:切刀造粒液壓油

        付仕勇 張洪彬 劉秋玲

        (云南云天化石化有限公司)

        擠壓造粒機(jī)組是聚丙烯由粉料轉(zhuǎn)化為粒料的關(guān)鍵機(jī)組,粉料經(jīng)過連續(xù)的熔融、混煉、均化、加壓、過濾、造粒階段形成最終的聚丙烯粒料產(chǎn)品。其中,在模板與切刀的密切配合下切粒機(jī)負(fù)責(zé)將熔融態(tài)樹脂切削成顆粒狀產(chǎn)品。

        UG400型切粒機(jī)為ZSK系列擠壓造粒機(jī)組中的關(guān)鍵設(shè)備,由電機(jī)驅(qū)動(dòng),刀盤安裝在切粒機(jī)軸上,配套的液壓油系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)切粒小車進(jìn)退、切刀軸進(jìn)退、切粒水室與模板的機(jī)械鎖開閉3個(gè)功能。停車期間切粒機(jī)與模板處于分離狀態(tài),開車時(shí)切粒機(jī)根據(jù)設(shè)定的程序,切粒小車前進(jìn)至模板處,通過機(jī)械鎖實(shí)現(xiàn)切粒水室與模板的鎖定并密封,切刀軸前進(jìn)使刀刃與模板造??踪N合,通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)切刀軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)切削造粒。切削的聚丙烯顆粒經(jīng)切粒水冷卻后輸送至下游進(jìn)行脫水干燥。

        然而在聚丙烯裝置擠壓造粒機(jī)組運(yùn)行過程中,切粒機(jī)頻繁出現(xiàn)退刀停車故障,嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。因此,急需找到切粒機(jī)退刀停車故障的原因并制定解決措施,以保證機(jī)組的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

        1 存在的問題

        擠壓造粒機(jī)組開車時(shí)和正常生產(chǎn)過程中頻繁出現(xiàn)退刀,造成切粒機(jī)高扭矩連鎖停車。根據(jù)記錄,擠壓機(jī)開車時(shí)最多經(jīng)歷過8次退刀高扭矩連鎖停車,第9次才開車成功;正常生產(chǎn)期間半個(gè)月內(nèi)退刀高扭矩連鎖停車次數(shù)高達(dá)10次,嚴(yán)重影響生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

        與設(shè)備原廠家(德國(guó)科倍?。┘夹g(shù)負(fù)責(zé)人溝通后制定了解決方案,但所提方案均未能有效解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題。

        2 故障原因分析

        通過對(duì)切粒機(jī)開車時(shí)和正常生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的退刀造成高扭矩連鎖停車現(xiàn)象進(jìn)行分析,筆者決定從切刀模板使用情況、切粒機(jī)與模板對(duì)中、切粒機(jī)刀壓調(diào)整、模板及切粒水溫度調(diào)整、液壓油系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性等方面進(jìn)行故障排查,并提出解決方案。

        2.1 切刀與模板貼合不良造成退刀

        對(duì)切粒機(jī)運(yùn)行過程中的切刀進(jìn)行受力分析(圖1),切刀以懸臂的姿態(tài)工作,主要承受與切刀直接接觸的4種物質(zhì)產(chǎn)生的作用力,分別為:

        圖1 切刀受力分析示意圖

        a.刀盤受切刀軸的作用力對(duì)切刀產(chǎn)生向模板方向的壓力,電機(jī)驅(qū)動(dòng)切刀軸和刀盤向切刀施加圓周方向的扭力,也是切刀能切削樹脂的驅(qū)動(dòng)力;

        b.經(jīng)熔融泵加壓的樹脂通過模板造??讓?duì)切刀產(chǎn)生軸向的阻力,以及樹脂在切刀圓周方向產(chǎn)生的切削阻力;

        c.模板造粒帶對(duì)切刀產(chǎn)生軸向阻力,以及切刀在造粒帶上貼合運(yùn)行產(chǎn)生圓周方向的摩擦阻力;

        d.由于切刀前刀面為斜面,因此切刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中,切粒水會(huì)對(duì)切刀產(chǎn)生圓周方向的阻力,以及向模板方向的壓力。

        在這4種力的共同作用下,當(dāng)軸向阻力大于軸向壓力時(shí),就會(huì)造成切粒機(jī)退刀;當(dāng)圓周方向的阻力大于電機(jī)輸出扭矩保護(hù)值時(shí),就會(huì)造成電機(jī)過扭矩連鎖停車。

        根據(jù)切粒機(jī)運(yùn)行技術(shù)要求,切刀刃口需與模板造粒帶平行貼合,且切刀與造??兹锌诰h利才能正常切粒,否則樹脂會(huì)在切刀刃口與模板造粒帶之間累積,出現(xiàn)墊刀情況,同時(shí)增加切刀切削阻力。當(dāng)墊刀的樹脂超過撓性刀盤調(diào)整余量時(shí),便會(huì)推動(dòng)切刀軸后退,此時(shí)切刀與模板間會(huì)出現(xiàn)大量片料,造成切粒機(jī)扭矩迅速上漲,超過電機(jī)輸出扭矩保護(hù)值,進(jìn)而觸發(fā)連鎖停車。

        2.1.1 切刀與模板刃口不鋒利

        當(dāng)切刀與模板造粒孔刃口不鋒利時(shí),會(huì)使得樹脂無法順利切斷,切刀切削阻力增大,進(jìn)而出現(xiàn)墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車的情況。但在該情況下,粒料產(chǎn)品中首先會(huì)出現(xiàn)拖尾料。

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況可見,顆粒中未發(fā)生拖尾現(xiàn)象,停車檢查模板出料孔刃口和切刀刃口均平整鋒利。在開車不成功的情況下,還啟動(dòng)磨刀程序進(jìn)行磨刀,更換切刀也未能解決退刀的問題。因此切刀與模板造??兹锌诓讳h利問題可以排除。

        2.1.2 切粒機(jī)與模板對(duì)中不良

        切粒機(jī)使用的刀盤為撓性刀盤,其裝刀面的撓度為0.05~0.50 mm。切粒機(jī)軸與模板對(duì)中要求不大于0.20 mm,若機(jī)組在運(yùn)行過程中因基礎(chǔ)沉降或在安裝時(shí)對(duì)中不良,超出撓性刀盤補(bǔ)償能力,則可能造成切刀刀刃與模板造??组g存在間隙,進(jìn)而導(dǎo)致墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車的情況。

        停車后復(fù)查測(cè)量,撓性刀盤裝刀面的最大撓度為0.48 mm,復(fù)查對(duì)中,切粒機(jī)軸與模板對(duì)中偏差為0.02 mm,均滿足設(shè)計(jì)使用要求,因此切粒機(jī)與模板對(duì)中不良問題可以排除。

        2.1.3 切粒機(jī)刀壓設(shè)置不合理

        切粒機(jī)配套有液壓油系統(tǒng),液壓油通過液壓油缸實(shí)現(xiàn)切刀軸進(jìn)刀、退刀,正常生產(chǎn)期間進(jìn)刀壓、退刀壓分別作用在液壓油缸活塞兩端,進(jìn)刀壓需克服退刀壓、刀軸自身阻力、模板造粒孔排出樹脂阻力,使切刀刃口與模板造粒帶均勻貼合,以保證切出的樹脂顆粒大小均勻、刀刃磨損整齊(圖2)。機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定的情況下,刀軸自身阻力、模板造??着懦鰳渲枇μ幱诜€(wěn)定狀態(tài),此時(shí)若進(jìn)刀壓與退刀壓之間壓差過高,則會(huì)導(dǎo)致切刀刀根磨損嚴(yán)重,刀尖部分與模板造粒帶產(chǎn)生間隙(圖3),進(jìn)而出現(xiàn)墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車情況。若進(jìn)刀壓與退刀壓之間壓差過低,則會(huì)導(dǎo)致切刀刀尖磨損嚴(yán)重,刀根部與模板造粒帶產(chǎn)生間隙(圖4),進(jìn)而出現(xiàn)墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車情況。

        圖2 切刀與模板均勻貼合示意圖

        圖3 刀壓過高時(shí)切刀與模板配合示意圖

        圖4 刀壓過低時(shí)切刀與模板配合示意圖

        經(jīng)過多次試車,當(dāng)進(jìn)刀壓與退刀壓壓差為1.64 MPa時(shí),切出的樹脂顆粒均勻度、刀刃平整度處于最優(yōu)狀態(tài)。故以該壓差為基準(zhǔn),通過計(jì)算獲得最優(yōu)的進(jìn)刀壓和退刀壓。

        已知切粒機(jī)液壓油系統(tǒng)退刀壓最大整定值為3 MPa,推動(dòng)切刀軸退刀最小壓力為2 MPa。切刀軸液壓油缸進(jìn)刀、退刀活塞面積比ABW/AFW=1.33。若ΔP=1.64 MPa,退刀壓強(qiáng)PBW=3 MPa,通過計(jì)算可以得到進(jìn)刀壓強(qiáng)PFW=4.64 MPa,壓力矢量∑F=PFWAFW-PBWABW=4.64AFW-3×1.33AFW=0.65AFW;若ΔP=1.64 MPa,PBW=2 MPa,則PFW=3.64 MPa,壓力矢量∑F=PFWAFW-PBWABW=3.64AFW-2×1.33AFW=0.98AFW。

        根據(jù)以上計(jì)算可知,在進(jìn)刀壓與退刀壓壓差為1.64 MPa 時(shí)(進(jìn)刀壓為3.64 MPa,退刀壓為2 MPa),切刀軸可以獲得更大的推力。即在保障切出的樹脂顆粒均勻度、刀刃平整度最優(yōu)的前提下,降低了進(jìn)、退刀壓,提升了切刀抗模板造粒孔排出樹脂的沖擊能力,提升了切粒機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性,減少了切粒機(jī)退刀情況的發(fā)生。據(jù)此可以判斷出,刀壓設(shè)置不合理可能是導(dǎo)致退刀的原因。

        2.2 模板及切粒水溫度調(diào)整不合理造成退刀

        在熔融泵加壓推力作用下,樹脂被壓進(jìn)造粒模板的進(jìn)料腔,通過模板導(dǎo)熱油加熱流道對(duì)其進(jìn)行再次加熱,并從模板造??讛D出進(jìn)入切粒水腔室。在切粒水和低壓切粒水腔室環(huán)境的共同作用下,樹脂迅速膨脹,表面固化。擠出造??椎牟糠?,被旋轉(zhuǎn)的切刀(動(dòng)刀)和模板造粒帶出料孔端面(定刀)切斷成型,完成造粒。在此過程中,若模板和切粒水溫度過低,會(huì)造成樹脂顆粒小和碎屑多的問題,影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)能;若模板和切粒水溫度過高,則會(huì)使樹脂從模板造??走^快流出,切粒水不能完全將樹脂表面固化,造成切刀切粒困難,出現(xiàn)墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車的情況。

        通過對(duì)不同牌號(hào)產(chǎn)品進(jìn)行熔點(diǎn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn),產(chǎn)品之間的熔點(diǎn)差異較大。將生產(chǎn)過程中較少發(fā)生退刀停車故障與頻繁發(fā)生退刀停車故障時(shí)所生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)后者比前者的熔點(diǎn)低20 ℃左右。相應(yīng)的模板和切粒水設(shè)定溫度并沒有成比例的跟隨調(diào)整,因此模板和切粒水溫度調(diào)整不合理可能是造成退刀的原因。

        2.3 液壓油系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定造成退刀

        切粒機(jī)配套有液壓油系統(tǒng),液壓油通過液壓油缸實(shí)現(xiàn)切刀軸進(jìn)刀、退刀,若運(yùn)行過程中液壓油系統(tǒng)不能提供穩(wěn)定的液壓油壓力,會(huì)導(dǎo)致切粒機(jī)切刀軸受力不穩(wěn)定,進(jìn)而造成墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車等情況。

        通過對(duì)切粒機(jī)液壓油系統(tǒng)油路進(jìn)行梳理研究,并結(jié)合開車時(shí)設(shè)定的進(jìn)刀、退刀壓發(fā)現(xiàn),控制退刀壓的溢流閥整定壓力為3 MPa,與設(shè)定的退刀壓相同。根據(jù)溢流閥結(jié)構(gòu)原理,其整定壓力是通過調(diào)節(jié)彈簧壓縮量實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)設(shè)定壓力處于溢流閥整定壓力臨界點(diǎn)時(shí),溢流閥抗干擾能力較弱。系統(tǒng)發(fā)生輕微波動(dòng),即會(huì)造成溢流閥波動(dòng),進(jìn)而造成退刀壓、進(jìn)刀壓跟隨波動(dòng)(圖5、6中的綠色曲線代表油壓波動(dòng)趨勢(shì)),最終出現(xiàn)退刀連鎖停車故障,因此液壓油系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定可能是造成退刀的原因。

        圖5 切粒機(jī)液壓油系統(tǒng)退刀壓波動(dòng)情況

        3 效果驗(yàn)證

        根據(jù)上述分析,造成切粒機(jī)退刀連鎖停車問題的原因主要集中在3個(gè)方面:一是刀壓設(shè)置不合理,二是模板和切粒水溫度設(shè)置不合理,三是切粒機(jī)液壓油系統(tǒng)不穩(wěn)定。通過對(duì)這3個(gè)方面進(jìn)行逐一測(cè)試驗(yàn)證,尋找最終原因。

        進(jìn)刀、退刀最優(yōu)壓差為1.64 MPa,同步調(diào)整進(jìn)刀、退刀壓力發(fā)現(xiàn),在可調(diào)整范圍內(nèi),不論是升壓還是降壓,效果均不明顯,未能降低切粒機(jī)退刀連鎖停車次數(shù)。

        根據(jù)不同牌號(hào)產(chǎn)品熔點(diǎn)不同的特點(diǎn),分別進(jìn)行試驗(yàn)并記錄其熔點(diǎn)值,針對(duì)頻繁發(fā)生退刀連鎖停車故障時(shí)所生產(chǎn)產(chǎn)品與較少發(fā)生退刀故障時(shí)所生產(chǎn)產(chǎn)品的熔點(diǎn)差值,同比例調(diào)整模板和切粒水設(shè)定溫度,監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)切粒機(jī)退刀連鎖停車次數(shù)發(fā)生明顯變化。

        在停車期間更換了控制退刀壓的溢流閥,并將退刀壓設(shè)置為2.8 MPa,避開溢流閥3 MPa的整定壓力,通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),切粒機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定,未再發(fā)生因退刀而導(dǎo)致的停車故障。

        由此可以得出,切粒機(jī)頻繁發(fā)生退刀連鎖停車故障是由模板和切粒水溫度設(shè)置不合理、切粒機(jī)液壓油系統(tǒng)不穩(wěn)定共同導(dǎo)致的。

        4 結(jié)束語

        針對(duì)擠壓造粒機(jī)組切粒機(jī)頻繁發(fā)生退刀連鎖停車,造成機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定,嚴(yán)重影響生產(chǎn)的問題,通過觀察現(xiàn)場(chǎng)情況,研究切粒機(jī)液壓油系統(tǒng),對(duì)切刀模板使用情況、切粒機(jī)與模板對(duì)中、切粒機(jī)刀壓調(diào)整、模板和切粒水溫度調(diào)整、液壓油系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性等一系列可能造成切粒機(jī)退刀連鎖停車的原因進(jìn)行逐一分析排查,初步確定了刀壓設(shè)置不合理、模板和切粒水溫度設(shè)置不合理、切粒機(jī)液壓油系統(tǒng)不穩(wěn)定3個(gè)問題,經(jīng)過多次測(cè)試驗(yàn)證后,最終確定模板和切粒水溫度設(shè)置不合理、切粒機(jī)液壓油系統(tǒng)不穩(wěn)定是導(dǎo)致切粒機(jī)頻繁退刀連鎖停車的主要原因。通過對(duì)這兩個(gè)問題進(jìn)行處理,消除了切粒機(jī)因退刀而導(dǎo)致的停車故障。

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