國(guó)外引進(jìn)離心機(jī)差速器故障分析及國(guó)產(chǎn)化改造

張緒文

（中石油四川石化公司，成都611930）

0 引言

利用離心原理將聚乙烯粉末與己烷進(jìn)行分離，是於漿法聚烯烴生產(chǎn)工藝中的重要工序之一，離心機(jī)承擔(dān)著這一重要任務(wù)。離心機(jī)主要由外轉(zhuǎn)鼓、內(nèi)轉(zhuǎn)鼓及輸送螺帶、差速器等部件組成，差速器的作用是實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外轉(zhuǎn)鼓之間的傳動(dòng)，并形成一定的轉(zhuǎn)速差。外轉(zhuǎn)鼓與差速器的殼體聯(lián)接，內(nèi)轉(zhuǎn)鼓與差速器的輸出軸聯(lián)接，其基本工作原理是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)外轉(zhuǎn)鼓及差速器的殼體，通過(guò)差速器內(nèi)二級(jí)行星齒輪傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)鼓并使內(nèi)、外轉(zhuǎn)鼓之間形成一定的轉(zhuǎn)速差。

正常生產(chǎn)時(shí)，離心機(jī)的內(nèi)、外轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，聚烯烴於漿通過(guò)中心進(jìn)料管進(jìn)入內(nèi)轉(zhuǎn)鼓，再通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)鼓筒壁上的通道進(jìn)入內(nèi)外轉(zhuǎn)鼓之間的錐形空間，由于聚乙烯粉料與己烷密度不同，在離心力的作用下二者分離，形成由聚烯烴濕餅構(gòu)成的外環(huán)形區(qū)域和由己烷構(gòu)成的內(nèi)環(huán)形區(qū)域，由于內(nèi)、外轉(zhuǎn)鼓之間存在一定的轉(zhuǎn)速差，使得內(nèi)轉(zhuǎn)鼓外壁上的輸送螺帶對(duì)粉料產(chǎn)生向前的推力，將其從前部的固相下料段推出，己烷通過(guò)溢流堰從尾部的液相下料端排出，從而實(shí)現(xiàn)了聚烯烴於漿的固液分離。

我公司離心機(jī)是2013年從國(guó)外整機(jī)引進(jìn)的，裝置開(kāi)工初期差速器頻繁損壞，嚴(yán)重影響了裝置平穩(wěn)運(yùn)行，我們對(duì)差速器進(jìn)行解體分析，根據(jù)軸承及齒輪損壞樣貌、差速器結(jié)構(gòu)，以及對(duì)齒輪及軸承承載力的校核計(jì)算，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)及齒輪模數(shù)、軸承額定動(dòng)載荷均存在問(wèn)題。于是針對(duì)性地制定并實(shí)施了國(guó)產(chǎn)化改造方案，經(jīng)過(guò)上線運(yùn)行取得了良好的效果，徹底解決了差速器頻繁損壞的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行。

1 故障統(tǒng)計(jì)

離心機(jī)歷史故障情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 歷史故障情況統(tǒng)計(jì)表

2 故障原因分析

我公司共有3臺(tái)離心機(jī)，工藝設(shè)計(jì)為同時(shí)運(yùn)行，自2014年初開(kāi)工后一年內(nèi)頻繁出現(xiàn)差速器損壞的故障，對(duì)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行造成了極大影響。從每次解體檢修情況來(lái)看，差速器的損壞情況基本相似，均出現(xiàn)軸承滾動(dòng)體局部點(diǎn)蝕或局部硬層脫落、砂架損壞，三星及四星銅套嚴(yán)重磨損，一二級(jí)太陽(yáng)輪嚴(yán)重磨損，一二級(jí)齒圈嚴(yán)重磨損。

針對(duì)該差速器頻繁損壞的情況及故障特征，我們從多方位進(jìn)行研究，確定了以下故障原因。

1）差速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。

圖1 原始結(jié)構(gòu)圖

從圖1可見(jiàn)，一級(jí)行星盤的右側(cè)通過(guò)軸承3支撐在蓋1上，左側(cè)通過(guò)軸承2與二級(jí)行星盤聯(lián)結(jié)；二級(jí)行星盤的左側(cè)通過(guò)軸承1支撐在蓋2上，右側(cè)通過(guò)軸承2與一級(jí)行星盤聯(lián)結(jié)。從設(shè)計(jì)角度認(rèn)為，一二級(jí)行星盤通過(guò)軸承1、2、3的作用形成了兩端支撐且可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)的剛性軸，以此來(lái)支撐三星齒輪、三星軸、三星銅套、三星盤、四星齒輪、四星軸、四星銅套、四星盤及其它相關(guān)部件。但實(shí)際上由于一級(jí)行星盤與二級(jí)行星盤之間的聯(lián)結(jié)軸承2存在一定游隙，二者之間通過(guò)軸承聯(lián)結(jié)不可能形成剛性軸，而是形成了懸臂結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)必然存在一定的擺動(dòng)，原設(shè)計(jì)試圖通過(guò)對(duì)軸系動(dòng)平衡量的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)軸系的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，以解決其擺動(dòng)問(wèn)題。但實(shí)際上這種設(shè)計(jì)意圖很難實(shí)現(xiàn)。

從減速器的運(yùn)行情況來(lái)看，差速器運(yùn)行時(shí)振動(dòng)偏大。從解體檢修情況來(lái)看，軸承頻繁損壞即是由于軸系存在擺動(dòng)致使軸承工作姿態(tài)不穩(wěn)定引起的；一、二級(jí)太陽(yáng)輪及一、二級(jí)齒圈頻繁出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，即是由于齒輪嚙合中心距不穩(wěn)定引起的；一二級(jí)行星銅套及一二級(jí)行星軸磨損過(guò)快即是齒輪磨屑造成潤(rùn)滑油污染所致。

2）軸承選型不合理，額定動(dòng)載荷偏小。

建立每一套軸承的受力模型，根據(jù)軸承的設(shè)計(jì)參數(shù)、實(shí)際受力及運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，核算每一套軸承的運(yùn)行壽命，除圖3中E、F兩套軸承以外，其他軸承壽命均不超過(guò)1.5 a。以二級(jí)行星盤左支撐（圖1中軸承1）的兩套軸承為例，建立受力模型并進(jìn)行壽命計(jì)算。軸承受力模型如圖2所示。

圖2 軸承受力模型

根據(jù)力矩平衡原理列出二元一次方程：

F1=F2+G1+G2；

F2×49=G1×98+G2×（98+155）。

式中：G1=1205 N；G2=353 N。

求得：F1=5791 N；F2=4233 N。

軸承使用壽命計(jì)算公式[1]為

式中：Lh為軸承使用壽命；n為軸承轉(zhuǎn)速，n=2200 r/min；C為軸承額定動(dòng)載荷，C=49 400 N；F為軸承當(dāng)量動(dòng)載荷，F(xiàn)1=5791 N，F(xiàn)2=4233 N；K為軸承壽命系數(shù)，K=3。

經(jīng)計(jì)算二級(jí)行星盤左側(cè)支撐（左軸承）壽命為：12 040 h，約為1.38 a；二級(jí)行星盤左側(cè)支撐（右軸承）壽命為：4702 h，約為0.5 a。

從以上計(jì)算結(jié)果看，軸承的使用壽命過(guò)短是差速器故障多發(fā)的重要因素之一。

3）齒輪模數(shù)選擇偏小，承載力不足。

經(jīng)齒輪強(qiáng)度校核計(jì)算，一、二級(jí)行星系的輪齒模數(shù)均偏小。以一級(jí)太陽(yáng)輪為例，太陽(yáng)輪參數(shù)：模數(shù)m=2.5;齒數(shù)Z1=18 ;變位系數(shù)X1=0.29;齒寬B=50 mm；數(shù)量1件。行星輪參數(shù)：模數(shù)m=2.5;齒數(shù)Z1=49 ;變位系數(shù)X2=0.23;齒寬B=50 mm；數(shù)量1件。差速器數(shù)據(jù)：輸出轉(zhuǎn)矩為30 kN·m；速比為40.38；輸入軸轉(zhuǎn)矩為758 N·m。

齒輪材質(zhì)及相關(guān)參數(shù)：材質(zhì)20GrMoTi；屈服強(qiáng)度δs=835 MPa。

計(jì)算公式[2]為

δH=ZH×ZE×Zεβ×[Ft/bd1×（u+1）/u×KA×KV×KHβ×KH2]1/2。式中：δH為齒面接觸疲勞強(qiáng)度；ZH為節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)；ZE為材料彈性系數(shù)；Zεβ為重合度和螺旋角系數(shù)；Ft為分度圓上的圓周力；b為齒寬；d1為分度圓直徑；u為嚙合齒數(shù)比；KA為使用系數(shù)；KV為動(dòng)載系數(shù)；KHβ為齒向載荷分布系數(shù)；KH2為齒間載荷分布系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，δH=1370 MPa，此值遠(yuǎn)大于材料的屈服極限835 MPa。說(shuō)明齒輪模數(shù)選擇偏小，這是造成差速器故障頻發(fā)的另外一個(gè)主要因素。

3 改造措施

針對(duì)差速器存在的問(wèn)題，進(jìn)行了如下4方面改造：

1）在一、二級(jí)行星盤之間增加墻板，并在二級(jí)行星盤右側(cè)軸徑與墻板之間增加軸承C，使軸承A和軸承C對(duì)二級(jí)行星盤形成穩(wěn)定的兩端支撐，從而消除二級(jí)行星盤原設(shè)計(jì)的懸臂狀態(tài)。

2）將二級(jí)太陽(yáng)輪與一級(jí)行星盤之間的聯(lián)結(jié)形式，由原來(lái)的花鍵聯(lián)結(jié)改為方鍵聯(lián)結(jié)，并采用H7/m6配合，消除原設(shè)計(jì)花鍵內(nèi)部固有間隙，使二者成為一個(gè)剛性的整體軸系，該軸系在軸承B及軸承D的兩端支撐下，成為一個(gè)穩(wěn)定的軸系，消除了該軸系原設(shè)計(jì)的懸臂狀態(tài)。

3）原設(shè)計(jì)差速器中共有7套軸承，改造后共有6套軸承，其中4套軸承重新選型提高了額定動(dòng)載荷，2套型號(hào)未變。圖1中軸承1原設(shè)計(jì)為2套軸承，改為圖2中深溝球軸承1套（軸承A）；圖1中的軸承4原設(shè)計(jì)為深溝球軸承，更改為圖2中的單列滾柱軸承（軸承B）；圖1中的軸承2取消，新增圖2中的軸承C；圖1中的軸承3更換型號(hào)并改變支撐位置，被圖2中的軸承D取代。圖2中的軸承E、F無(wú)變化。

圖3 改造后結(jié)構(gòu)

4）改變一、二級(jí)行星輪及一二級(jí)齒圈的齒輪模數(shù)及齒數(shù)，在速比不變的情況下增加輪齒的強(qiáng)度，提高齒輪載荷能力。其中一級(jí)行星系輪齒的模數(shù)由原來(lái)的2.5改為3.0，太陽(yáng)輪齒數(shù)由18齒改為23齒，行星輪齒數(shù)由49齒改為68齒，齒圈齒數(shù)由117齒改為116齒；二級(jí)行星系輪齒的模數(shù)由原來(lái)的3.5改為5.0，太陽(yáng)輪齒數(shù)由26齒改為23齒，行星輪齒數(shù)由43齒改為35齒，齒圈齒數(shù)由114齒改為97齒。

4 改造效果

將以上改造成果應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)化制造當(dāng)中，國(guó)產(chǎn)差速器于2015年6月上線運(yùn)行，狀態(tài)平穩(wěn)，振動(dòng)明顯小于進(jìn)口差速器，運(yùn)行周期達(dá)到3 a，壽命提高了10倍以上。但需要特別注意，由于差速器在正常運(yùn)行時(shí)無(wú)法檢查油位，并且初期故障很難發(fā)現(xiàn)，一旦振動(dòng)增大基本上已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p壞。所以必須做好定期保養(yǎng)，推薦每半年停機(jī)檢查油位、油質(zhì)，每2 a強(qiáng)制大修一次。