貝亞雷斯三相離心機(jī)國(guó)產(chǎn)化改造

摘要：根據(jù)意大利進(jìn)口的貝亞雷斯FP6002RS/M離心機(jī)用于污油三相分離的經(jīng)驗(yàn)，由于存在差速器結(jié)構(gòu)不合理和螺旋材料易磨損的問題，導(dǎo)致離心機(jī)運(yùn)行一年便出現(xiàn)嚴(yán)重故障。因此，我們對(duì)差速器和螺旋等部件進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化改造，經(jīng)過一年多的運(yùn)行檢驗(yàn)，達(dá)到了理想的效果。

關(guān)鍵詞：離心機(jī)；差速器；螺旋；改造

前言

為了資源的有效利用和環(huán)境保護(hù)，供排水聯(lián)合裝置對(duì)含油污水經(jīng)過隔油處理，將污油收集進(jìn)罐，再經(jīng)過脫水處理后，將送到煉油裝置進(jìn)行回?zé)?。而煉油裝置摻煉污油要求含固量低，含水量最多不大于10%，一般要求在2%以下。然而，這些從污水中回收的污油，含固體雜質(zhì)和水分都很高。為了解決污油脫水的難題，2009年，公司購(gòu)買了一臺(tái)意大利貝亞雷斯生產(chǎn)的FP6002RS/M臥螺離心機(jī)進(jìn)行污油的固、水、油的三相分離，處理能力5M3/h。投用后，大大提高了污油脫水、脫固的效率，油的含水率也能下降到2%，含固率低于。但該設(shè)備運(yùn)行一年后就出現(xiàn)差速器損壞、螺旋磨損、機(jī)器振動(dòng)大等問題，無法繼續(xù)運(yùn)行。因此，我們對(duì)其進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化改造，并取得了較好的效果。

1.三相離心機(jī)的工作原理

離心機(jī)是利用離心力分離在液體中含有顆粒的液-固體的懸浮液的設(shè)備。在外殼上裝有兩個(gè)轉(zhuǎn)子，外轉(zhuǎn)子是一個(gè)錐形起沉降作用的轉(zhuǎn)鼓，兩端固定在空心轉(zhuǎn)軸上，由右邊的皮帶輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，內(nèi)轉(zhuǎn)子為一個(gè)在空心軸上裝有錐形葉片的螺旋推料器，它由左端的差速器帶動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)鼓相同，差速器為行星輪減速器，它由外轉(zhuǎn)子通過空心軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使螺旋推料器的轉(zhuǎn)速比錐形轉(zhuǎn)鼓快6-11r/min，這個(gè)差值，通常稱為差轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為3400r/min左右）。差轉(zhuǎn)速使螺旋推料器的螺旋葉片與轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而螺旋推料器可以推送固體物料。當(dāng)懸浮液從右端進(jìn)料口連續(xù)加入時(shí)，由于轉(zhuǎn)鼓回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的作用下，物料聚集在轉(zhuǎn)鼓大端，形成一個(gè)沉降區(qū)。在沉降區(qū)里，懸浮液中的固相物料受離心力的作用而沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，并被螺旋推料器送到轉(zhuǎn)鼓小端的干燥區(qū)，最后從卸渣口甩出，從而實(shí)現(xiàn)固-液分離。FP6002RS/M臥螺離心機(jī)不僅能實(shí)現(xiàn)固-液分離，還能進(jìn)行油-水分離，即三相分離。在它的錐形轉(zhuǎn)鼓大端的端面上開有四個(gè)圓形口，靠近轉(zhuǎn)鼓中心的兩個(gè)口是出油口（油的密度比水小，在水上方），兩個(gè)稍靠轉(zhuǎn)鼓邊的兩個(gè)口是出水口。通過調(diào)節(jié)油相和水相堰板的高度，可以使油和水分別從各自的溢出口溢出，這樣就實(shí)現(xiàn)了固、油、水的三相分離。

2.三相離心機(jī)存在的問題分析

2.1差速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有缺陷，易進(jìn)水而損壞

貝亞雷斯離心機(jī)是意大利生產(chǎn)的，技術(shù)較為先進(jìn)，在石化系統(tǒng)我們是第一家使用。然而它的差速器在設(shè)計(jì)上也存在缺點(diǎn)。差速器與轉(zhuǎn)鼓是由螺旋輸送軸連為一體的，它們兩腔之間只有一個(gè)密封分隔。其一是這種結(jié)構(gòu)，在檢修轉(zhuǎn)鼓或螺旋時(shí)，安裝螺旋輸入軸非常困難，極易造成差速器與轉(zhuǎn)鼓之間的密封安裝不好造成泄漏。其二是密封使用時(shí)間長(zhǎng)了，密封會(huì)因自然磨損而泄漏。一旦出現(xiàn)密封泄漏就會(huì)出現(xiàn)污水直接進(jìn)入了差速器內(nèi)，將潤(rùn)滑油嚴(yán)重污染，造成軸承、齒輪全部損壞的嚴(yán)重后果。

2.2螺旋和轉(zhuǎn)鼓材料耐磨性不好，易磨損

我們的污油是裝置經(jīng)含油下水道排放來的，油中夾帶的固體物質(zhì)成分復(fù)雜，其中還含有大量的泥沙，在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沉積后硬度大，螺旋長(zhǎng)時(shí)間與這些泥沙摩擦，螺旋的磨損相當(dāng)迅速。貝亞雷斯FP6002RS/M離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓和螺旋的材料都是316L不銹鋼，有良好的抗腐蝕性能，但硬度不太高（HB<187），耐磨性不強(qiáng)。離心機(jī)投用1年多，轉(zhuǎn)鼓和螺旋的間隙就由1mm擴(kuò)大到了5mm，螺旋刮泥效果變差，出泥不暢，機(jī)器轉(zhuǎn)子不平衡，振動(dòng)大，力矩增大，出現(xiàn)經(jīng)常停機(jī)。

3.三相離心機(jī)技術(shù)改造內(nèi)容

投產(chǎn)一年后，離心機(jī)出現(xiàn)差速器損壞、螺旋磨損等故障后，如果要買原裝配件，不僅時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用高，而且它本身存在的缺陷也不能消除，于是我們決定對(duì)其進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造。

3.1將差速器實(shí)行國(guó)產(chǎn)化

3.1.1差速器的結(jié)構(gòu)

離心機(jī)差速器是由兩極行星齒輪系統(tǒng)組成，第一級(jí)為行星機(jī)構(gòu)，第二級(jí)為差動(dòng)機(jī)構(gòu)，齒形為漸開線形。其第一級(jí)與第二級(jí)均有三個(gè)行星齒輪。一級(jí)輸入軸（一級(jí)太陽輪），通過搖臂與力矩保護(hù)裝置相連接，一級(jí)輸出軸與二級(jí)輸入軸（二級(jí)太陽輪）通過短齒漸開線花鍵聯(lián)接為一體（我們稱這一構(gòu)件為小三星盤蓋），二級(jí)輸出軸（大三星盤蓋），通過花鍵軸與內(nèi)轉(zhuǎn)子相連接。一、二級(jí)內(nèi)齒圈與差速器外殼通過短齒漸開線花鍵聯(lián)結(jié)為一體，差速器外殼通過聯(lián)結(jié)盤與轉(zhuǎn)鼓相連接。

3.1.2改變差速器外殼與內(nèi)齒圈的結(jié)構(gòu)形式，選擇合適的材料

進(jìn)口差速器的結(jié)構(gòu)中一、二級(jí)內(nèi)齒圈依靠加工過盈量將其鑲?cè)氩钏倨鳉んw內(nèi)，再通過緊固銷徑向定位，防止內(nèi)齒圈在殼 體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)閲?guó)內(nèi)的加工水平與國(guó)外存在差距，為了較好地保證了加工和組裝精度，我們將差速器外殼與內(nèi)大、小內(nèi)齒圈用同一材料整體加工，采用整體淬火的熱處理方法。這樣做也存在二者要求的性能不同，材料又不能區(qū)別，不便于選擇差異性熱處理方法，犧牲了部分齒輪性能。如果有一齒損壞，就會(huì)導(dǎo)致殼體報(bào)廢，增加了運(yùn)行成本。差速器是在高速、重載、不斷承受沖擊交變載荷的惡劣工作條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，故要求差速器的抗過載沖擊及抗扭震性能要好。因此選擇好合適的材料極為重要，兼顧二者機(jī)械性能要求，選擇了有較高的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度、韌性好、淬透性高、淬火變形小的42CrMo材料。表1為齒輪常用材料及機(jī)械性能對(duì)比。

為了保證新差速器能裝配到原離心機(jī)的殼罩內(nèi)，外形尺寸與原裝差速器應(yīng)基本一致。針對(duì)安裝尺寸，通過測(cè)量，對(duì)連接部位和皮帶輪重新加工，對(duì)接完全符合要求。

3.1.3加大齒輪模數(shù)，提高傳遞扭矩

我們?cè)谠O(shè)計(jì)上充分考慮差速器在實(shí)際使用中容易出現(xiàn)的故障。進(jìn)口離心機(jī)的一級(jí)行星機(jī)構(gòu)中，齒輪模數(shù)是DP18比較小，相 當(dāng) 于 公 制 模 數(shù)1.411mm（公制模數(shù) =25.4/英制徑節(jié)=25.4/18=1.411），要求材料的機(jī)械性能優(yōu)良，加工精度高，機(jī)器振動(dòng)小。不管是操作不當(dāng)也罷，還是維修不及時(shí)也罷，在實(shí)際應(yīng)用中，齒輪和齒圈磨損較快。鑒于國(guó)內(nèi)的材料性能和機(jī)加工水平比國(guó)外差的現(xiàn)實(shí)，要保證改造后的齒輪可靠性好，必須相應(yīng)加大齒輪模數(shù)。這樣可以提高傳動(dòng)強(qiáng)度，使傳遞扭矩能力明顯提高。根據(jù)一般齒輪國(guó)產(chǎn)化的經(jīng)驗(yàn)，我們確定一級(jí)齒輪模數(shù) m=1.75mm，20度壓力角，硬度HRC50，二級(jí)齒輪選用模數(shù)m=3mm，20度壓力角，硬度HRC50。從而有效提高了國(guó)產(chǎn)齒輪的強(qiáng)度，降低了齒輪被損壞的故障率。

3.1.3.1齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核

一級(jí)太陽輪的m=1.75，b=30mm，d1=22.75.z1=13，Z2=57，u=z2/z1=4.38，ψ=b/d1，

根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度公式〔1〕，查表知：材料系數(shù)ZE=189.8，節(jié)點(diǎn)嚙合系數(shù)ZH=2.5，K=KAKVKβ=2.815，其中，查表知：使用系數(shù)KA=2.5，動(dòng)載系數(shù)KV=1，載荷系數(shù)Kβ=1.125，該齒輪的最大轉(zhuǎn)矩T1=526.3N.mm

按公式計(jì)算出材料的接觸疲勞強(qiáng)度極限σH=826，根據(jù)齒輪線速度、齒面光潔度等條件，查表得，ZN=1，ZR=1，Zv=1，σ0H=1050MPa，取安全系數(shù)SH=1.1，計(jì)算出

許用應(yīng)力[σ]H=（σ0H/SH）ZNZRZv=1050/1.1=954MPa

因?yàn)閇σ]H>σ H，所以齒面接觸疲勞強(qiáng)度足夠。

3.1.3.2齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核

查表知該材料的彎曲疲勞強(qiáng)度極限σ0F=500MPa，安全系數(shù)SF=2，彎曲壽命系數(shù)YN=1，尺寸系數(shù)YX=1，計(jì)算出許用應(yīng)力[σ]F=σ0FYNYX/SF=250MPa

查表知，YF=3.3，YS=1.5，計(jì)算得：=1.63mm〔1〕。我們采用的齒輪模數(shù)m為1.75大于1.63，因此，彎曲疲勞強(qiáng)度校核合格。其他齒輪的校核方法一致，校核計(jì)算省略。

3.1.4改變二級(jí)輸出軸結(jié)構(gòu)，防止污水串入差速器的潤(rùn)滑油中

FP6002RS/M臥螺離心機(jī)原裝差速器二級(jí)輸出軸采用輸出花鍵一體的整軸方式，密封由花鍵軸上的油封進(jìn)行密封。改造中我們采用輸出軸分體式結(jié)構(gòu)，即二級(jí)輸出軸和花鍵軸分開，同樣采用花鍵連接。密封由二級(jí)輸出軸外圓骨架油封外加了一個(gè)O型圈密封。此結(jié)構(gòu)，一方面保證在密封件損壞的情況下，不會(huì)出現(xiàn)物料直接倒灌進(jìn)差速器污染潤(rùn)滑油，從而破壞差速器內(nèi)部零件的情況發(fā)生。另一方面，由于增加了中間花鍵連接環(huán)節(jié)，可以使差速器-花鍵軸-螺旋之間有了緩沖間隙。在螺旋推料過載的情況下，減小對(duì)差速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和零部件的沖擊。

3.1.5提高齒輪承載能力

FP6002RS/M臥螺離心機(jī)原裝差速器一級(jí)行星減速齒輪軸瓦使用的是滾針軸承。這種軸承的承載能力較小，一旦損壞滾針就會(huì)卡在齒輪之間，引起齒輪損壞（我們就曾出現(xiàn)過這樣的情況）。國(guó)內(nèi)無法生產(chǎn)同質(zhì)同型號(hào)的產(chǎn)品，一旦發(fā)生故障，短時(shí)間難以采購(gòu)到位。因此我們將其改成國(guó)產(chǎn)的浸銻石墨滑動(dòng)軸承。此材料耐磨性強(qiáng)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)溫升低，適用于高速、磨損厲害、潤(rùn)滑條件差的工作環(huán)境，抗載能力顯著提高，并且在齒輪破損的情況下不會(huì)對(duì)其他零件產(chǎn)生破壞性影響。

3.1.6差轉(zhuǎn)速的調(diào)整

改造后的齒輪尺寸比原差速器使用齒輪尺寸要大，主要是考慮國(guó)內(nèi)鋼材質(zhì)量相對(duì)國(guó)外的會(huì)有差異，為保證齒輪運(yùn)行強(qiáng)度，將尺寸放大。由此就導(dǎo)致了差速器速比數(shù)據(jù)跟原差速器有差異。FP6002RS/M離心機(jī)原裝差速器速比為146，改造后的差速器速比為57。要維持原來的差轉(zhuǎn)數(shù)，可采取兩種措施，一是改變副電機(jī)與輸入軸皮帶輪的大小，維持電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，從而改變輸入軸的轉(zhuǎn)速。二是通過改變電機(jī)頻率，調(diào)節(jié)副電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，改變輸入軸的轉(zhuǎn)速，來維持原來的差轉(zhuǎn)數(shù)。因改變皮帶輪的大小，會(huì)增大副電機(jī)的力矩，需要改變?cè)D(zhuǎn)矩控制邏輯，不好實(shí)現(xiàn)，且改變外形尺寸后，原來的保護(hù)罩也安裝不上。如果采用調(diào)節(jié)副電機(jī)（輸入電機(jī)）轉(zhuǎn)速的辦法，就要計(jì)算輸入電機(jī)在極限轉(zhuǎn)速下能否達(dá)到要求的差轉(zhuǎn)速。差速公式：D（r）=（T-C）/transmissionratio，其中：

T---轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速

C---螺旋轉(zhuǎn)速

D（r）---差速

transmissionratio---齒輪傳動(dòng)比

在轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速3400r/min不變時(shí)，（T-C）/2（副電機(jī)轉(zhuǎn)速）在極限值1450r/min以內(nèi)時(shí)，差速可以在6-50r/min之間，原來的差速是6-60r/min之間。且離心機(jī)在運(yùn)行時(shí)的實(shí)際差速控制在8-11r/min左右，所以，采用調(diào)節(jié)副電機(jī)（輸入電機(jī)）轉(zhuǎn)速的辦法完全可行。

用戶事先通過控制面板輸入設(shè)定的差速和轉(zhuǎn)矩值。轉(zhuǎn)矩（百分比）來自控制螺旋電機(jī)的變頻器。差速則來自設(shè)備的接近開關(guān)。

差速和轉(zhuǎn)矩控制如下：

COact

CO1

CO2

CO3

COact>CO4當(dāng)過程值COact大于CO4，則離心機(jī)停止運(yùn)行；〔2〕

改造后的差速器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2螺旋的改造

原來的螺旋材料是316，因該材料太軟，其機(jī)械性能為：抗拉強(qiáng)度σb：≥480（MPa），條件屈服強(qiáng)度σ0.2≥177（MPa），硬度：≤28HRC。運(yùn)行一年就磨損嚴(yán)重，螺旋與轉(zhuǎn)鼓間隙達(dá)到了5mm（國(guó)標(biāo)1mm）。此問題是導(dǎo)致推料不暢，轉(zhuǎn)矩過大，停機(jī)頻繁的主要原因。針對(duì)這個(gè)問題，我們采用了國(guó)內(nèi)比較成功的技術(shù)，加大螺旋摩擦面材料的硬度?？晒┻x擇的方案有兩個(gè)，一個(gè)是在螺旋上鑲嵌異形陶瓷片。該方案最大的優(yōu)點(diǎn)是硬度高，耐磨性強(qiáng)，最大的弱點(diǎn)是易破碎。一旦發(fā)生連接螺釘脫落或陶瓷片破碎，就會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面，甚至導(dǎo)致機(jī)器全面損毀。另一種方案是在螺旋先堆焊處理，使間隙縮小到允許值，再在表面噴涂薄薄的硬質(zhì)合金層（在轉(zhuǎn)鼓筋條上也做相同處理）的辦法，再在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)鑲嵌的不銹鋼筋條上也做相同處理，以提高其耐磨性，從而保護(hù)轉(zhuǎn)鼓不被磨損。

4.結(jié)論

經(jīng)過對(duì)離心機(jī)差速器和螺旋等部件進(jìn)行技術(shù)改造，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上比進(jìn)口差速器簡(jiǎn)單、緊湊，大大改善了加工工藝性能，而且標(biāo)準(zhǔn)化程度大大提高，齒輪的模數(shù)、軸承、骨架油封、螺栓等均采用公制標(biāo)準(zhǔn)系列，這樣易于生產(chǎn)和加工，更易于保證零部件的加工和采購(gòu)，同時(shí)拆裝檢修方便，承載能力大，均載效果好。經(jīng)過一年多的運(yùn)行檢驗(yàn)，證明改造達(dá)到了機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，運(yùn)行溫度低，噪音小，離心機(jī)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊黎明.《機(jī)械原理與機(jī)械零件》.

[2]《貝亞雷斯FP6002RS/M離心機(jī)說明書》.

作者簡(jiǎn)介：蔣立國(guó)，現(xiàn)任中石化長(zhǎng)嶺分公司儲(chǔ)運(yùn)作業(yè)部，設(shè)備副主任。