影響造粒模板使用壽命的因素分析

趙巖 朱雪瑞 耿亮

摘要：中國石化齊魯石化分公司塑料廠（簡稱齊魯塑料廠）共有高密度聚乙烯，線性密度聚乙烯，高壓聚乙烯，聚丙烯等4套聚烯烴塑料生產(chǎn)裝置，以及與之配套的5條造粒生產(chǎn)線，分別進口自德國WP，日本KOBELCO，德國Berstorff，日本JS公司.在前期的使用過程中，均不同程度上出現(xiàn)模板切粒面內(nèi)環(huán)，外環(huán)等部位的異常磨損，造粒質(zhì)量嚴(yán)重下降.模板的最短運行周期僅為3個月，平均6個月，使用壽命不超過4a，嚴(yán)重制約著產(chǎn)品質(zhì)量和裝置連續(xù)生產(chǎn)。擠壓機造粒模板（以下簡稱模板）是塑料造粒生產(chǎn)線的關(guān)鍵部件.如何避免非正常磨損延長其使用壽命，是影響安穩(wěn)生產(chǎn)的重要因素之一.模板的運行周期是指模板自投用（或經(jīng)過修復(fù)）運行至模板切粒面的硬質(zhì)層磨損較多或出料孔El損壞，不能再生產(chǎn)出符合產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所要求的塑料顆粒的時間.模板的使用壽命是指模板自投用至無法修復(fù)的使用時間總和.

關(guān)鍵詞：造粒模板;壽命;影響因素

熔融的聚合物塑料在螺桿的推動擠壓下，進 入被熱媒介質(zhì)加熱至規(guī)定溫度的密閉模板料腔流 道內(nèi)，通過縮徑的出料孔流出，并在造粒帶表面 （又稱為切粒面）與水室內(nèi)適當(dāng)溫度的造粒冷卻 水相遇，熔融塑料膨脹表面瞬間硬化.另一側(cè)動 力軸通過刀盤帶動切刀在做旋轉(zhuǎn)運動，切刀刀刃 與模板切粒面平行且相互貼合形成一對剪切刃。切粒面是一對剪刃，整個造粒過程是由切刀和模 板切粒面這對剪刃相對運動，剪切塑料的過程，它 們之間的相互過度摩擦是造成模板切粒面磨損加 劇，影響其壽命的主要因素。相互接觸運動的兩物體，隨摩擦系數(shù)變低，磨 損程度降低J.耐磨材質(zhì)的切刀材料摩擦系數(shù) 與普通切刀相比要小，切粒過程中與模板造粒帶 表面磨損較小，從而模板造粒帶表面機械磨損小. 模板的使用壽命相對較長，反之壽命降低.齊魯 塑料廠各裝置早期使用的進口切刀，多為Fe基鋼 質(zhì)硬質(zhì)合金材料，摩擦系數(shù)為0.28，切刀及模板 磨損較快.2005年沈陽金峰特種刀具有限公司 以中國科學(xué)院金屬研究所為技術(shù)支持，研發(fā)了金 屬陶瓷材料的復(fù)合切刀，在設(shè)計狀況下，模板切粒面與切刀（刀盤）面 是相互平行的，兩者之間的夾角Ot=0.但是一方面在安裝切刀或刀盤時的調(diào)整不 當(dāng)，造成模板造粒帶與切刀（刀盤）的平行度較差;另一方面是造粒裝置由于基礎(chǔ)沉降或基礎(chǔ)不平整，雖然經(jīng)過靜態(tài)調(diào)整，但是工作以后的持續(xù)震 動使模板和切刀的平行度發(fā)生變化，模板軸心線 與刀盤動力軸軸心線出現(xiàn)夾角，使切刀在工作時向某一個區(qū)域施加較高的 壓力，造成這一個區(qū)域磨損嚴(yán)重。板出現(xiàn)局部偏磨現(xiàn)象，經(jīng)過安裝時對模板位置調(diào) 整，保證模板切粒面和切刀刃平面之間的平行度， 偏磨現(xiàn)象有所好轉(zhuǎn)，但沒有徹底消除.隨后德國 Berstorff公司對刀盤重新進行設(shè)計，將固定式刀 盤改為隨動式刀盤（如圖3c所示），偏磨問題得 以解決。刀盤對切刀的壓力F來自于作用于動力軸 上的進刀控制壓力，在其他條件不變的前提下，當(dāng) 進刀控制壓力提升后，刀盤對切刀的壓力相應(yīng) 增大，切刀和模板的接觸壓力增大，切刀和模板磨損加大，同時由于切刀是懸臂安裝在刀盤 上，以懸臂梁的方式受力工作，當(dāng)?shù)侗P對切刀的壓 力增大后，切刀的近刀盤處比遠(yuǎn)刀盤處變形小，出 現(xiàn)刀刃端部上翹現(xiàn)象，導(dǎo)致模板與切刀近刀盤內(nèi) 圈磨損嚴(yán)重.齊魯塑料廠聚丙烯裝置擠壓造粒機 2004年前多次出現(xiàn)切刀與模板內(nèi)圈異常磨損嚴(yán) 重問題，經(jīng)過對進刀壓力進行適當(dāng)降低調(diào)整，模板 切粒面內(nèi)圓偏磨現(xiàn)象得以解決。通過對模板造粒工作時切刀受力分析得知， 刀盤帶動切刀在密閉的冷卻水中旋轉(zhuǎn)，由于切刀 前刀面角度的存在，冷卻水對切刀阻力產(chǎn)生一 個向模板切粒面方向的分力，切刀刀刃端處的線 速度最大，冷卻水對切刀刀刃端處的分力最大. 當(dāng)動力軸速度提升后，切刀轉(zhuǎn)速加快，冷卻水對切 刀產(chǎn)生的壓力增大，且位于切刀刀刃端處增加最 大，磨損加劇.齊魯塑料廠聚丙烯裝置在2004年 之前曾經(jīng)出現(xiàn)過切刀端刃方向以及模板外圈磨損 嚴(yán)重的情況，進刀壓力和動力軸轉(zhuǎn)速過高分別對切刀及模 板引起不同形式的磨損，過低又將導(dǎo)致切刀靠不 到模板上，產(chǎn)生片料和尾巴料，甚至墊刀，纏刀停 車.國內(nèi)多家造粒裝置按照J(rèn)SW提供曲線，進行 進刀壓力和動力軸轉(zhuǎn)速調(diào)整，模板和切刀的磨損 狀況均沒有好轉(zhuǎn).對此通過攻關(guān)，對造粒提供的 曲線進行了試驗優(yōu)化，重新校正了進刀控制壓力 P與切刀轉(zhuǎn)速n的關(guān)系曲線，切刀轉(zhuǎn)速與進刀控制壓力關(guān)系曲線 在2004年之后，參照校正的曲線，對切刀轉(zhuǎn) 速與進刀控制壓力同時調(diào)整，相互匹配，齊魯塑料 廠聚丙烯裝置加壓造粒機模板沒有出現(xiàn)因轉(zhuǎn)速過 高造成的切刀和模板外圈的非正常磨損，"積削瘤"對模板造粒帶壽命的影響，被擠出模板出料孔的膨脹變形的熔融塑料，表面遇冷卻水瞬間固化，當(dāng)連續(xù)的固化塑料生成 到規(guī)定的某一長度時，貼模板造粒帶表面做圓周 運動的切粒刀與表面固化的塑料相遇，進行切粒. 在塑料顆粒被剪切的過程中，由于塑料受擠壓，摩 擦和自身的劇烈變形，與模板造粒帶和切刀接觸 的塑料表面瞬間熔化.熔化的塑料以薄膜形式粘 貼在塑料脫落方向的造粒帶表面和切刀的前刀 面，后刀面上.經(jīng)過周而復(fù)始的剪切，黏結(jié)，塑料 脫落方向的造粒帶和切刀刃口，堆積出一定厚度 的固體塑料殘留物，俗稱為"積削瘤"，"積削瘤"生長到一定厚度時會被連續(xù)運轉(zhuǎn) 的切刀刮掉，"積削瘤"脫落時會將造粒帶和切刀 刃口處的本體材料黏掉很少的一點.經(jīng)過無數(shù)次 的黏結(jié)脫落，造粒帶塑料脫落方向和切刀刃口處 產(chǎn)生凹損.齊魯塑料廠各裝置模板受"積削瘤" 影響，磨損較快，其中高密度聚乙烯裝置15A線 擠壓造粒機模板使用la后，于2004年拆下檢查， 其切粒面刃口異常磨損，造粒加熱通道出料孔。

從上所知，塑料切粒過程中熱量產(chǎn)生不可避 免，"積削瘤"的產(chǎn)生也必然存在，這種磨損也是 模板和切刀的正常磨損."積削瘤"除了與模板 加熱通道的設(shè)計，模板造粒帶材質(zhì)，塑料的熔融指 數(shù)等固有設(shè)計因素有關(guān)外，它的產(chǎn)生還與塑料切 粒過程中局部熱量產(chǎn)生和熱量帶出有關(guān).通過減 少塑料切粒過程中的剪切變形減少剪切熱量生 成，同時迅速將這部分熱量帶出，減少熔融塑料粘 附，可緩解"積削瘤"的磨損影響.齊魯塑料廠通 過采取更換新刀后進行認(rèn)真的磨刀，以及當(dāng)塑料 顆粒端面出現(xiàn)拖尾時及時進刀，使切刀和模板切 粒面充分貼合并始終保持良好接觸，減少塑料剪 切變形;同時采用采用粘附塑料性較差的金屬陶 瓷切刀等手段，"積削瘤"的形成和由此引起的磨 損起到減緩作用.高密度聚乙烯裝置15A線擠 壓造粒機模板經(jīng)過采取以上措施，在使用后， 于2006年拆下檢查，其切粒面刃口狀況較好。通過系統(tǒng)分析模板的非正常磨損影響因素， 可以看出：選用摩擦系數(shù)低的切刀，采用先進的隨 動式刀盤，精確的調(diào)整刀盤對模板的壓力，細(xì)致的 設(shè)定刀盤轉(zhuǎn)速并相互匹配，及時調(diào)整切刀或更換 切刀，能夠充分避免模板的非正常磨損，從而達(dá)到 延長模板使用壽命的目的.經(jīng)過采取上述措施， 齊魯塑料廠各裝置模板現(xiàn)運行周期達(dá)到6個月以 上，平均la，異常磨損情況明顯減少.根據(jù)以上的計算，通過自壓的方式進行汽油裝車是完全可行的.實施后既節(jié)約了電能消耗，又節(jié)省了機泵維修費用，取得良好經(jīng)濟效益。