許中義　謝誌文

（大慶（qìng）石油化工總廠化工廠，黑龍江大慶　163714）

　　摘　要：膨脹幹燥機是順（shùn）丁橡膠裝置後處理單元的關鍵設備。文中簡要介（jiè）紹了膨（péng）脹幹燥機的工（gōng）作原理（lǐ）和結構，通過對膨脹幹燥機主軸斷裂原（yuán）因，從理論上分析了主軸在交變應力作用下斷（duàn）裂發生（shēng）、發展的過程，並從設備操作、結構上分析了交變應力產生的原因和（hé）對設備產生的危（wēi）害，並針對這些問題，提（tí）出了解決和防止主軸斷裂的措施。

　　關鍵詞：膨脹幹燥（zào）機（jī）；主軸；斷（duàn）裂；原因；對策

　　2003年9月23日，大慶石油化工總廠化工廠橡膠裝置（zhì）後處理B線膨脹幹燥機（jī）（M-304）進料段螺套與進料鬥（dòu）發（fā）生摩擦（cā），致使進（jìn）料鬥過熱已呈暗紅（hóng）色，且（qiě）減速機振動並逐漸加劇，停車（chē）對設備進行檢查，發現減（jiǎn）速機地腳螺栓斷（duàn）一根，且地腳發現裂紋，需對該設備進行檢修。操作人員排料時發現（xiàn）膨脹幹燥（zào）機不出料，減速機振動大，緊急停車重新對膨脹幹燥機認真檢查，在幹燥機的主電機聯（lián）軸節處進行盤車，發現（xiàn）盤車非常輕鬆，仔（zǎi）細檢查確認（rèn）膨脹幹燥（zào）機螺杆主軸斷。

　　1　膨脹幹燥機的工作（zuò）原理和（hé）主要結構

　　1.1工作原（yuán）理

　　膨脹幹燥（zào）機主要由主電機、液力偶合器、齒輪減速箱、膨脹幹燥機主體4部（bù）分組成。其（qí）主體部分（fèn）結構示意圖（tú）見圖（tú）1。

　　由擠壓脫（tuō）水機輸出的膠料，通過膨脹幹燥機進料（liào）鬥連續不斷地喂入進料段，然後通過剪切螺釘剪切膠料，旋轉螺杆擠壓膠料並把（bǎ）其沿軸向輸送推進；與此同時，采用過熱蒸汽加熱膠料至（zhì）100～175℃，以軟化膠料而利於（yú）擠壓、幹燥，逐（zhú）步升溫增壓的膠料由擠出段輸出（chū）並被壓入模板並擠出。由於膠料在機（jī）筒內受到剪切、擠壓和摩擦作用，到擠出段膠料壓力已升至5～7MPa，當處（chù）於受壓狀（zhuàng）態的膠料從模板噴嘴以高速噴出時，因模板外側的空間突然增大，膠料的壓力由約7MPa驟降至0，使膠條突然膨脹放鬆，膠條內所含水分迅（xùn）速閃蒸氣化，並由（yóu）此達到使膠料進一步（bù）膨脹幹（gàn）燥的目的。

　　1.2主要（yào）結構

　　主螺杆由24節螺套依次套在螺杆主軸上並通過鍵聯接（jiē）而組成，首段螺套為5圈等螺距螺紋，為便於安裝剪切螺釘，壓縮（suō）段和擠（jǐ）出段均設計成單開放式的斷（duàn）續螺紋，各段（duàn）螺（luó）距均不相同。螺距由低壓側向高壓側逐漸縮小，利用螺距縮小（xiǎo）來造壓和增加摩擦省熱，以擠出膠（jiāo）料（liào）中的水分，提（tí）高幹燥能力。螺杆頭為錐形（xíng）結構，利於螺杆主（zhǔ）軸的（de）調心定位。

　　3段夾套式機筒彼此用螺栓聯接，每段機筒（tǒng）都有供（gòng）蒸（zhēng）氣加熱或水冷卻的（de）進出口。沿機筒每（měi）隔一段距離的四（sì）周（zhōu）上均布有4個由外向內壁延伸凸出的剪切螺（luó）釘，共20圈，剪切螺釘與螺套的螺槽相對應（yīng），其作用是斷裂剪切螺杆上（shàng）的膠料（liào），阻止膠料隨螺杆同軸旋轉並促使其沿軸向擠壓推進。

　　每兩（liǎng）節機筒或與（yǔ）短節的聯（lián）接處共4處襯有（yǒu）支（zhī）撐襯（chèn）套，對機筒的安裝起定心作（zuò）用及利於機體的密（mì）封。支撐襯套（tào）內表麵（miàn）堆焊3mm左右的硬（yìng）質合（hé）金層，與4個支撐襯套位（wèi）置對應的E、F兩節螺旋套表麵也堆焊硬質合金，以提高耐磨性。在擠出（chū）段的末端裝有模板，用螺栓固定在短節。幹燥機的螺杆主軸為單端固定的懸臂軸，懸臂端長達3.9m，懸臂端主要靠4個支撐襯套支撐。

　　2　膨脹幹燥機斷裂主軸的檢查

　　發現（xiàn）主軸斷裂後，當（dāng）天進（jìn）行拆檢。解體檢查時發現幹（gàn）燥機主軸是在節螺旋套定位軸肩A截麵處斷裂見圖2，斷口呈剪切斷麵。支撐襯套（tào）是9月（yuè）1日檢修（xiū）時更換的，經檢查，四節支撐襯（chèn）套的磨損都很小，各節螺套也未發現磨損，說明9月1日的檢修安裝質量沒有問題。檢修開（kāi）車後隻有兩次停車，一次是因前工段（duàn）改造（zào）計劃停車，再有就是9月23日主軸斷裂停車，說明在這期間的操作也沒有大的問題。

圖2 膨脹幹燥機主軸結（jié）構示意

　　3　膨（péng）脹幹（gàn）燥機主軸斷裂分析

　　3.1主軸斷裂原因

　　從主軸的斷裂截麵來看，軸的斷裂屬於疲勞破壞（huài）。軸在運行過程中，通（tōng）過穿在主（zhǔ）軸上的螺套將橡膠由進料段推進到模頭處，主軸主要承（chéng）受扭轉剪切應力，由於外部（bù）負載（zǎi）變化（huà）的影響，剪切（qiē）應力也呈周（zhōu）期性（xìng）變化，這樣就產生了交變應力。軸在交變應（yīng）力的作用下，產生疲勞斷裂。從金屬的（de）疲勞斷裂理論（lùn）分析，主軸斷裂的產生經曆了3個階（jiē）段。

　　⑴與主應力方向大體成45°傾斜的疲勞擴展是第Ⅰ階段。本階段一般（bān）僅一兩個晶粒深，但所占疲勞壽命的比例卻不低。由於（yú）裂紋擴展（zhǎn）的速率很低，故在這部分（fèn）斷口上一般看不出任何（hé）擴展（zhǎn）的特征形（xíng）貌。

　　⑵與主應力方（fāng）向垂直的疲勞擴展是第Ⅱ階段。在此階段（duàn）中，每經一個載荷循環（huán），裂紋就往前擴展一（yī）步。在循環加載、卸載過程中，將在裂尖區產生塑性變形區，此時受到拉伸和（hé）壓縮性應變循環，就要發生局部（bù）斷裂擴展（zhǎn），塑性區也往（wǎng）前推進一步（bù）。根據載荷的不同，每一循環中開裂的金屬可能經（jīng）曆了不止一（yī）次二（èr）次，而許（xǔ）多（duō）次的塑性應變循環。

　　⑶瞬（shùn）斷區（qū）。此時，由於有效截麵（miàn）很小，加上（shàng）裂紋很（hěn）深而應（yīng）力集中，應力強度因子達（dá）到很高的水平，其斷裂過程同單調加載（zǎi）情形相似^[1]。

　　3.2主軸交變應力（lì）產生的原因

　　3.2.1開、停車過於頻繁　該（gāi）裝置開（kāi）工以來，後處理設備運行一直不太穩定，僅在運行（háng）的近兩個半月內，B線共開、停車達55次之（zhī）多，從電機開車的計數器上顯示（shì），這55次開、停（tíng）車電機（jī）啟動116次（cì）。由於膨脹幹燥機的主電機功率高達588Kw，每次膨脹幹燥機電機的啟動都將使幹（gàn）燥機主（zhǔ）軸的扭轉應力由零突變至Z大（dà）值，此時的（de）主軸承（chéng）受了巨大的交變應力。而自7月1日至9月（yuè）23日（rì）短短（duǎn）的80多（duō）天（tiān）裏，幹（gàn）燥機主軸就受到了116次負載由零突（tū）變至Z大值的交變應力突變，這種交變應力的產（chǎn）生，對軸的斷裂產生重大的影響。

　　3.2.2下料不均　膨脹幹燥機正常操作時，主軸轉數應（yīng）根據進（jìn）料量大小適當調整。7月份以來，經常發生凝聚釜到後處理的物料負荷波動幅（fú）度過大的情況，嚴重時甚至斷料。在物料負荷波動幅度（dù）過大的情況下（xià），相應的螺杆轉數不可能（néng）及（jí）時做（zuò）相應調整。在進到幹燥機內的物料（liào）偏少時，在機體內會（huì）出現間斷空膛，而間斷空膛要比機體充滿物料時在（zài）主軸（zhóu）上產生的扭轉應力小，這種交變載荷也是產生交變應力的原因之一，雖然此時產生的交變應力和開停機產生的交變應力相比要小很多，但是，下料不均的情況卻時刻存在，產生交變（biàn）應力的次數也相當（dāng）巨大，因此對主軸的疲勞斷裂也產生重大的影響。

　　3.2.3頻繁堵料　在幹燥機進料段（duàn）發生堵料時，進料段的物料積存在進料鬥，不再進到機體內，而操作（zuò）人員不可能每次都及時發現幹燥機已經堵料並馬上停機，此時幹（gàn）燥機大電機將繼續運轉。由於此時物料不（bú）再進到機體，而主（zhǔ）軸還在繼續旋轉，此（cǐ）時主軸受到的剪切力（lì）要小於正常開車時的剪切力，兩者間的剪切力的差別要大於機體間斷（duàn）空膛的情況（kuàng），此時產生的交變應力對主（zhǔ）軸斷裂也是重要（yào）原因之一。

　　3.2.4螺套與下料鬥發（fā）生機械摩擦　由於斷料及下料不（bú）均，經常造成螺套與下料（liào）鬥發生摩擦，直至（zhì）發熱、發紅，此時主軸（zhóu）的溫度已達到600～700℃，致使主軸進料段（duàn）處形成多次退火，其強度極限已（yǐ）嚴重下降。此（cǐ）次主軸斷裂時正處於因摩擦（cā）發紅狀態，而高溫狀態下材料的強度極限比正常（cháng）溫度下的強度極限低很多。所以，因摩擦發熱、發紅造成（chéng）主軸強度嚴重下降，也是主軸斷裂的主要原因之一。

　　3.3軸的結構不合理

　　分析主軸斷裂的原因，除了交變應力（lì）的影響，斷裂處的應力（lì）集中也是重要原因之一。據了解，與大慶石油化工總化工廠同型號的膨脹幹燥機，北京燕化橡膠廠的（de）幹燥機主軸（zhóu）曾多次發生斷（duàn）裂，茂名石化（huà）橡膠廠同型號的膨脹幹燥機（jī）去年（nián）曾發（fā）生過主軸斷裂（liè）的故障，前不久（jiǔ）又發生了同樣的（de）故障，且斷裂部位（wèi）都相（xiàng）同。分析各廠（chǎng）主軸斷（duàn）裂的原因，主軸結構不合理也是重要原因（yīn）之一。由於（yú）軸肩處產（chǎn）生（shēng）應力突變，造成該處應力（lì）集中，在交變應力作用下，加劇了主軸斷裂的周期。

　　4　防止主軸斷裂（liè）的措施

　　4.1加強操作人員的技（jì）術培訓

　　要防止膨脹幹燥機主（zhǔ）軸斷裂，首（shǒu）先要保證膨脹幹燥機（jī）的（de）安全平穩運行，盡可能降低非計劃停（tíng）車次數。所（suǒ）以要（yào）在加強操作人員的技能培訓上下功夫。根據膨脹幹燥機（jī）的各項運行參數，製訂當運行參數超標時如何（hé）調整（zhěng）的（de）各項措施，並認真組織操作人員進行技術培訓，考試合格後上崗，確實保證（zhèng）膨脹幹燥（zào）機（jī）的安全平穩運行。

　　4.2穩（wěn）定凝聚單元（yuán）的操作

　　後處理單元的上一道工序是凝聚單元，凝聚單元的操作是否穩定、生產（chǎn）負荷是否（fǒu）穩定（dìng）是影響後（hòu）處理（lǐ）單元是否平穩運行（háng）的重要因素。前麵已分析，由於下料不均，對膨（péng）脹幹燥機主軸的疲勞斷裂會產生重要影響。所以，穩定（dìng）凝聚單元（yuán）的操（cāo）作，保證生（shēng）產負荷的平穩，是保證膨脹幹燥機安（ān）全平穩運行的對策之一（yī）。

　　4.3提高橡膠產品的內（nèi）在質量

　　橡膠產品內在質（zhì）量的好壞，直接影響（xiǎng）到橡膠後處理設備（bèi）尤其是膨脹幹燥機的操作。橡膠產品的內在質量取決於聚合單元聚合反應的好壞（huài）。聚合反應好，並且穩（wěn）定，橡膠的門尼值恒定，凝膠含量低，橡膠的各項性能指標優（yōu）良，到後處理單元的橡膠就不易堵、不易掛，反映在膨脹幹（gàn）燥機（jī）的設備操作上就不易堵料。如果聚合反應不穩定，橡膠物（wù）性就不好，在膨（péng）脹幹燥（zào）機（jī）的操作上反映出來的就是易堵料，設備的各項操作參數失控。而聚合反應的好壞，和回收單元精製的原料丁二烯和溶劑油的（de）質量有關，還和操作人員的操作水（shuǐ）平有關。所以，隻有加強對橡膠（jiāo）產品內在質量的控製（zhì），膨脹幹燥（zào）機的運（yùn）行才會（huì）平穩。

　　4.4增加（jiā）設（shè）備連鎖保護

　　為了加強膨脹幹燥機的安全平穩運行，針對膨（péng）脹幹燥機（jī）的操作特點，下一步（bù）要增（zēng）加設備的聯鎖（suǒ）保護（hù），使得操作人員能夠及時發現設（shè）備運行異常現象。比（bǐ）如增加（jiā）堵料報（bào）警聯鎖、模頭壓力聯鎖以及大（dà）電機頻繁啟動延時聯鎖等，切實保證膨脹幹燥機的安全平穩運行，延長其使用壽命。

　　4.5優化主軸結構

　　由（yóu）於膨脹幹燥機（jī）主軸軸肩（jiān）處的應力集中（zhōng）是引起主軸斷（duàn）裂的原因之一，所以在有機會對主軸結構進行改造時要對此處結構加以優化，避免或減（jiǎn）少應力集中。比如在此處加軸套（tào）等。

　　參考文獻：

　　[1]吳望周，化工設備斷裂失效分析基礎[M]，東南大學出版社，1991

來源：《煉油與化工》2005年第4期