擠壓脫水機(jī)主軸開(kāi)裂失效原因分析及修復(fù)

李 朋 孫 濤 董 亮

（1.中國(guó)石油蘭州石化公司a.合成橡膠廠；b.化肥廠；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

2019年6月在裝置大檢修期間， 維達(dá)三分公司檢修人員按照計(jì)劃對(duì)700#擠壓脫水機(jī)減速箱進(jìn)行解體檢查，在聯(lián)軸器脫開(kāi)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)擠壓機(jī)主螺旋軸鍵槽處部分金屬基體剝落，軸頭部位嚴(yán)重開(kāi)裂，主軸已無(wú)法繼續(xù)使用，在無(wú)備用軸、進(jìn)口原廠家螺旋軸價(jià)格昂貴且周期長(zhǎng)、無(wú)法滿足檢修和生產(chǎn)需要的情況下，需要對(duì)該軸裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行詳細(xì)分析，提出可行的修復(fù)方案。

1 擠壓脫水機(jī)

擠壓脫水機(jī)（圖1）主要由電機(jī)、減速箱、錐體支架、螺旋軸及腔體等組成，經(jīng)減速箱作用，將電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速由1 475r/min降至125r/min輸出，減速箱輸出軸與螺旋主軸之間采用剛性的夾殼聯(lián)軸器進(jìn)行連接。 因此，減速箱輸出軸采用對(duì)稱(chēng)布置的兩組圓柱滾子推力軸承以承受擠壓脫水機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的軸向力。 主螺旋軸和籠體柵條均采用三段式設(shè)計(jì)，分為進(jìn)料段、增壓段和脫水?dāng)D出段，相應(yīng)的柵條間的間隙分別為0.045、0.030、0.015mm， 在保證水分順利擠出的同時(shí)減少橡膠膠體的損失。 擠壓脫水機(jī)尾脫水部采用帶座調(diào)心滾子軸承，用以承受擠壓脫水機(jī)工作時(shí)的徑向力和軸的不平衡擺動(dòng)。

圖1 擠壓脫水機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

擠壓脫水機(jī)的主要參數(shù)如下：

螺桿直徑 355.6mm

功率 220kW

電壓 6kV

輸入轉(zhuǎn)速 1 475r/min

工作轉(zhuǎn)速 125r/min

主軸直徑 145mm

擠壓脫水機(jī)為橡膠生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，通過(guò)螺旋的旋轉(zhuǎn)擠壓和腔體容積的變化，對(duì)膠料進(jìn)行剪切、擠壓，從而起到脫除多余水分的作用。 丁腈一車(chē)間共有兩臺(tái)單螺桿擠壓脫水機(jī)， 全部采用FOMG2X-44-4CX14型擠壓機(jī)。 年產(chǎn)1.5萬(wàn)噸丁腈裝置后系統(tǒng)部分由凝聚、擠壓脫水、風(fēng)送、干燥、稱(chēng)重、 壓塊及包裝等單元組成， 膠乳經(jīng)凝聚、靜置、 洗滌和固定篩過(guò)濾后， 變成含水量在66%～80%之間的膠粒并進(jìn)入擠壓脫水機(jī)進(jìn)料段， 由于螺旋槽的螺距變化， 螺旋槽的容積不斷減小，膠料在螺旋的推動(dòng)下不斷擠壓填實(shí)，壓強(qiáng)和溫度不斷升高，從而使多余的水分通過(guò)籠體柵條間的間隙擠出。 在擠壓脫水機(jī)的出料端，通過(guò)調(diào)節(jié)錐體與螺旋軸間的間隙，使機(jī)腔內(nèi)的溫度和壓力達(dá)到最大， 膠料呈黏流態(tài)經(jīng)過(guò)錐體后壓力迅速釋放，經(jīng)膨脹閃蒸脫水后使橡膠中的水分控制在9%～12%之間， 然后經(jīng)切刀切片造粒后由風(fēng)送系統(tǒng)送入干燥箱進(jìn)行進(jìn)一步的干燥，以得到水分和揮發(fā)分達(dá)標(biāo)的橡膠產(chǎn)品。

2裂紋產(chǎn)生的原因

擠壓脫水機(jī)主軸軸端的開(kāi)裂情況如圖2所示。

圖2 擠壓脫水機(jī)主軸軸端的開(kāi)裂情況

根據(jù)斷口表面裂紋放射狀線條的走向 （圖3）， 可以初步判斷出裂紋源位于鍵槽的根部；再通過(guò)對(duì)剝落區(qū)斷口形貌的觀察，發(fā)現(xiàn)斷口呈明顯的階狀，斷口表面顏色較深，存在大量的污染物質(zhì)，表面的碳化物堆積較多，說(shuō)明該部位裂紋的形成時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)為裂紋的起裂點(diǎn)（即裂紋源位置）。 在裂紋1產(chǎn)生后，由于較大的工作扭矩和循環(huán)應(yīng)力的存在，應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋1迅速長(zhǎng)大、蔓延，造成主軸在鍵槽受力側(cè)的基體剝落，鍵條接觸面積減小， 鍵槽受壓側(cè)的切應(yīng)力急劇增加；在裂紋1終止點(diǎn)， 由于截面模量的變化和應(yīng)力集中的作用，產(chǎn)生了垂直軸線方向的裂紋2、3，隨著裂紋2、3之間的貫通， 鍵槽受力的截面積進(jìn)一步減小，鍵槽的承載能力急劇降低，部分基體材料達(dá)到屈服極限后產(chǎn)生塑性變形，裂紋5、6分別沿45°方向和軸向方向形成， 裂紋間的貫穿速度增加，軸頭處的材質(zhì)劣化速率加快，符合剪切斷裂力學(xué)特征。

圖3 裂紋發(fā)展趨勢(shì)走向

2.1 疲勞應(yīng)力

疲勞應(yīng)力腐蝕的本質(zhì)是應(yīng)力和介質(zhì)腐蝕共同作用。 擠壓機(jī)螺旋軸需要承受驅(qū)動(dòng)螺旋旋轉(zhuǎn)的扭矩產(chǎn)生的切應(yīng)力和橡膠加壓后產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力，以及由于對(duì)中不平衡、膠料密實(shí)度不同而導(dǎo)致的縱向壓應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩。 簡(jiǎn)化的受力模型和應(yīng)力分布如圖4所示。 可以看出，B截面為主軸的危險(xiǎn)截面，在實(shí)際運(yùn)行中，該截面的強(qiáng)度滿足要求，說(shuō)明材料的本身是滿足運(yùn)行強(qiáng)度要求的。A截面的受力情況較為復(fù)雜， 由于對(duì)中不平衡、鍵槽加工、軸向力及扭矩傳遞等因素的影響，特別是這些力的大小與橡膠的進(jìn)料量和錐體的開(kāi)度都有非常大的關(guān)系。 因此，在采用剛性聯(lián)軸器的條件下，軸端A截面會(huì)承受非常大的循環(huán)應(yīng)力，在高應(yīng)力和循環(huán)載荷的作用下，位錯(cuò)密度不斷增加和累積，平面滑移帶大量增殖，造成塑性變形的累積，導(dǎo)致工件疲勞微裂紋的萌生和擴(kuò)展，在應(yīng)力集中作用下極易造成材料的疲勞失效。

圖4 簡(jiǎn)化的受力模型和應(yīng)力分布

2.2 材質(zhì)劣化

清理后對(duì)斷口進(jìn)行觀察， 斷口整齊光亮，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的均勻腐蝕現(xiàn)象，敲擊碎片和材料附著牢固的基體，金屬聲較弱，敲擊聲沉悶，斷口符合脆性斷裂的特征。 對(duì)剝落碎片和加工后軸表面進(jìn)行顯微硬度測(cè)試， 鍵槽受力側(cè)最高為225HV，底部為215HV， 非受力側(cè)為203HV， 將軸加工至80mm后硬度值為188HV，根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)316奧氏體不銹鋼硬度應(yīng)小于200HV，所以材質(zhì)的疲勞劣化、韌性不足是產(chǎn)生脆性斷裂的主要原因。 結(jié)合對(duì)材料的硬度測(cè)定和具體工況的分析，認(rèn)為硬度的上升是加工硬化和應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間作用的結(jié)果。 金屬在再結(jié)晶溫度下長(zhǎng)時(shí)間外力作用下產(chǎn)生了晶粒的滑移和位錯(cuò)的纏結(jié)，使晶粒拉長(zhǎng)、破碎和纖維化，在金屬內(nèi)部產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力。 此外，再加工硬化使材料受影響區(qū)域的塑性和韌性降低，對(duì)于承受交變沖擊載荷的零部件，很容易產(chǎn)生裂紋。

3 修復(fù)方案的確定

由于大檢修工期和大備件供貨周期不能滿足生產(chǎn)的需要，經(jīng)與廠機(jī)動(dòng)科協(xié)商討論，決定對(duì)該軸軸頭進(jìn)行修復(fù)處理。 在對(duì)該螺旋軸進(jìn)行檢測(cè)后， 軸其余部位的化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足ASTM要求， 因此考慮到技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的要求決定采用局部修復(fù)的方案。 由于該軸軸頭部位的表面裂紋較多， 所以采用車(chē)削清除表面裂紋，在軸頭距端面200mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行車(chē)削清理的過(guò)程中，當(dāng)外徑加工至80mm時(shí)，軸的表層裂紋完全消失，表面硬度下降至200HV以下，為保證軸的整體性，初步?jīng)Q定采用鑲嵌套過(guò)盈連接的方案。

3.1 過(guò)盈連接的優(yōu)點(diǎn)

過(guò)盈連接的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定心精度高且承載能力強(qiáng)，工作時(shí)僅靠配合面的摩擦力即可傳遞較大的轉(zhuǎn)矩和軸向力，在沖擊、振動(dòng)載荷下可以極可靠地工作， 因此在大型機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用。結(jié)合擠壓脫水機(jī)的工況，筆者認(rèn)為采用過(guò)盈連接是可靠的。

3.2 過(guò)盈尺寸的確定

3.2.1 芯軸尺寸

電機(jī)功率N=220kW，減速箱的速比i=12.5，軸的工作轉(zhuǎn)速n=125r/min， 考慮到電機(jī)和減速箱的傳動(dòng)效率，則擠壓脫水機(jī)最大軸功率Ps為：

其中，Pm為電機(jī)額定功率，η1為減速箱傳動(dòng)效率，η2為電機(jī)功率因數(shù)。

擠壓脫水機(jī)軸承受的最大扭矩Tmax為：

主軸材料采用316奧氏體不銹鋼，根據(jù)ASTM要求，其最小屈服強(qiáng)度［σs］=205MPa，考慮到彎矩和拉應(yīng)力在正常工作時(shí)相對(duì)于扭矩值比較小，同時(shí)也具有不確定性，因此可以采用簡(jiǎn)化模型對(duì)芯軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。 按照相應(yīng)規(guī)范準(zhǔn)則選取安全系數(shù)的最低值k=1.5來(lái)計(jì)算材料在復(fù)雜應(yīng)力條件下的強(qiáng)度條件， 材料的許用拉應(yīng)力 ［σ］=［σs］/k=136.7MPa，許用切應(yīng)力［τ］=0.6［σ］=0.6×136.7=82MPa。

對(duì)于鑲嵌套，其抗扭截面系數(shù)Wp1為：

其中，比值α=d/D=0.55（d為芯軸直徑，D為鑲嵌套外徑）。

對(duì)于芯軸，其抗扭截面系數(shù)Wp2為：

得到鑲嵌套的最大切應(yīng)力τ1=Mt/Wp1=13.445×106÷542855=24.7MPa≤［τ］，其中Mt為軸的最大扭矩。

對(duì)于主軸部分， 其最大切應(yīng)力τ2=Mt/Wp2=13.445×106÷100480=133.80MPa＞［τ］；因此，如果按照完全依靠過(guò)盈連接的方式，芯軸部分的強(qiáng)度已不能滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的要求，而且考慮到截面應(yīng)力集中系數(shù)的問(wèn)題，單純的過(guò)盈連接后連接部位材料的強(qiáng)度不夠，需要采用先脹后焊的方式提高連接部位的整體性， 充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，提高受力的可靠性。

考慮到鑲嵌套加工鍵槽后應(yīng)力集中和根部強(qiáng)度的問(wèn)題， 取應(yīng)力集中系數(shù)K=3.5對(duì)鑲嵌套進(jìn)行計(jì)算，則：

則芯軸直徑d=145×0.452=65.54mm， 因此考慮到芯軸的強(qiáng)度儲(chǔ)備，選擇芯軸直徑（結(jié)合面直徑）d=70mm進(jìn)行過(guò)盈連接。

3.2.2 過(guò)盈量

傳遞載荷所需的最小壓強(qiáng)pfmin為［1］：

其中，T為主軸傳遞的扭矩；μ為結(jié)合面的摩擦因數(shù)， 鋼-鋼取μ=0.14；d取70mm；lf為結(jié)合面的長(zhǎng)度，取200mm。

零件不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大壓強(qiáng)pfmax為：

其中，νi、νe為材料的泊松比；Ei、Ee為材料的彈性模量，對(duì)于奧氏體不銹鋼，E=220GPa；計(jì)算得到δmin為：

零件不產(chǎn)生塑性變形時(shí)所允許的最大過(guò)盈量δmax為：

初選基本過(guò)盈量δb≈（δmin+δmax）/2=0.0635mm。對(duì)于擠壓脫水機(jī)的主軸， 如果選擇較大的過(guò)盈量，則會(huì)導(dǎo)致裝配困難，且對(duì)軸和孔的表面加工精度要求較高。 實(shí)際上在采用先脹后焊的連接方式時(shí)，希望得到更多的是材料的強(qiáng)度儲(chǔ)備，因此取δmin＜δb＜（δmin+δmax）/2，即過(guò)盈量選擇0.06mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

擠壓脫水機(jī)檢修完投入使用后，擠壓脫水機(jī)運(yùn)行情況良好，設(shè)備振動(dòng)和電流波動(dòng)情況較以前有了一定的改善，說(shuō)明擠壓脫水機(jī)主軸的對(duì)中精度對(duì)提高擠壓脫水機(jī)的壽命具有重要意義。 在凝聚后系統(tǒng)停車(chē)清理期間， 對(duì)聯(lián)軸器打開(kāi)后檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的變形和缺陷，說(shuō)明軸頭裂紋產(chǎn)生的主要原因是疲勞和應(yīng)力導(dǎo)致的材質(zhì)劣化，采用過(guò)盈配合和焊接的方式后提高了裝配精度，因此采用該方案對(duì)擠壓脫水機(jī)主軸進(jìn)行修復(fù)是可行的。