橡膠膨脹干燥機(jī)設(shè)備故障分析及對(duì)策

孟 明，白 亮，孟 闐

（1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 102425；2.中國(guó)石化工程建設(shè)公司，北京 100101；3.北京畢派克項(xiàng)目有限公司，北京 100101）

膨脹干燥機(jī)是順丁橡膠（BR）及丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）生產(chǎn)的主要設(shè)備[1-2]。膨脹干燥機(jī)將含水率為8%～12%的BR或SBS顆粒通過(guò)螺桿的擠壓、摩擦生熱、剪切破碎及膨脹和閃蒸作用，將含水率降到1%以下，是橡膠后處理干燥生產(chǎn)的主要設(shè)備。進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)橡膠膨脹干燥機(jī)都存在進(jìn)料口不吃料、螺桿軸斷裂、螺套和襯套磨損及筒體裂紋等問(wèn)題，本文分析設(shè)備故障原因，并提出相應(yīng)解決對(duì)策[3-9]。

1 筒體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

膨脹干燥機(jī)筒體主要由蒸汽通道結(jié)構(gòu)、剪切螺釘座、夾套、耐磨襯板、連接法蘭和蒸汽進(jìn)出口接管等部件組焊而成，使用過(guò)程中筒體內(nèi)漏是筒體報(bào)廢的主要原因。

1.1 筒體結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)選

目前，筒體結(jié)構(gòu)主要有以下4種方案。

（1）不銹鋼圓筒外用4根35#方鋼組焊后，再用4塊圓弧板組成蒸汽通道結(jié)構(gòu)。該蒸汽通道結(jié)構(gòu)造價(jià)低，剪切螺釘與35#方鋼不容易發(fā)生粘連，但是由于兩種材料的線熱膨脹系數(shù)不同，使用一段時(shí)間后，溫差應(yīng)力會(huì)使焊口出現(xiàn)裂紋，造成蒸汽內(nèi)漏到筒體內(nèi)，導(dǎo)致?lián)]發(fā)分超標(biāo)，筒體報(bào)廢。

（2）選用厚壁不銹鋼鋼管，沿軸向切削留出方鋼后的凹槽，再用不銹鋼圓弧板組焊出蒸汽通道結(jié)構(gòu)。同材質(zhì)組焊，沒(méi)有焊口裂紋造成蒸汽內(nèi)漏問(wèn)題，但造價(jià)偏高，且剪切螺孔因材質(zhì)較軟而容易損壞。

（3）選用加方鋼等后的不銹鋼鋼管，按照剪切螺釘之間的位置切環(huán)形槽，再用圓弧板組焊出蒸汽通道結(jié)構(gòu)。同材質(zhì)組焊，因環(huán)形焊縫多，如果沒(méi)有進(jìn)行焊后消除應(yīng)力的熱處理，使用一段時(shí)間后筒體會(huì)出現(xiàn)裂紋而報(bào)廢。

（4）在不銹鋼內(nèi)圓筒上按照剪切螺釘?shù)奈恢瞄_(kāi)孔，將剪切螺釘?shù)牟讳P鋼圓座焊接在內(nèi)圓筒上，再將兩個(gè)半圓形夾套板焊上，組成蒸汽夾套，也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

綜合分析，選擇方案（2）和（4）比較可行。

1.2 耐磨襯套改進(jìn)

筒體內(nèi)的耐磨襯套內(nèi)徑與螺桿外徑的間隙為3 mm，材料選用不銹鋼內(nèi)堆焊3 mm的耐磨層，耐磨襯套長(zhǎng)度為筒體總長(zhǎng)度的1/4。襯套內(nèi)均勻分布24個(gè)深7 mm、寬16 mm的槽，槽的端點(diǎn)要一直通到進(jìn)料斗的漏水板處。槽以正下方的中心線為基準(zhǔn)，圓周均勻分布。開(kāi)深、寬槽主要是防止膠料與螺桿同轉(zhuǎn)，使膠料如同螺母一樣，隨螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)被推向機(jī)頭。開(kāi)槽可使膠料塞入溝槽內(nèi)，如同滑動(dòng)軸承用油膜托起轉(zhuǎn)子，同理，用膠料托起螺桿，減少螺桿與襯套的磨損。開(kāi)槽可增大膠料與襯套的摩擦熱和摩擦阻力，減小夾套蒸汽用量。開(kāi)槽還有利于一部分被擠壓出來(lái)的水從槽內(nèi)回流到進(jìn)料斗處，從漏水板的孔或縫隙中漏出。

2 螺桿組合優(yōu)化

螺桿是機(jī)組的關(guān)鍵部件，在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)螺桿軸斷裂、螺套磨損和生產(chǎn)能力不足等問(wèn)題，分析原因并提出解決對(duì)策。

2.1 整體螺桿材料的特點(diǎn)與問(wèn)題

從加工角度看，膨脹干燥機(jī)采用整體螺桿是可以的，主要是材料選擇，38CrMoAlA鋼的抗拉強(qiáng)度不低于980 MPa，且價(jià)格低；SUS316不銹鋼的抗拉強(qiáng)度不低于440 MPa，強(qiáng)度不到38CrMoAlA鋼的一半。采用SUS316不銹鋼整體加工的螺桿耐腐蝕，橡膠不會(huì)變顏色，但SUS316不銹鋼螺桿扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度不夠，容易被扭斷。SUS316不銹鋼按螺套根部直徑172 mm計(jì)，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度也沒(méi)有Φ130 mm的38CrMoAlA鋼高。

38CrMoAlA鋼加工后滲氮處理，整體剛度大，如果能夠控制橡膠中水分的pH值不小于7，則不會(huì)出現(xiàn)橡膠變色問(wèn)題。當(dāng)橡膠中水分的pH值小于6.5時(shí)，滲氮層被磨掉后，橡膠會(huì)呈現(xiàn)灰色或磚紅色。要控制橡膠中水分的pH值不小于7，除了在凝聚釜中加堿以外，還要控制聚合釜硼催化劑加入位置，催化劑進(jìn)釜后，釜內(nèi)攪拌器能將其刮掉，立即分散到膠液中，不能在催化劑進(jìn)口處停留。膠液表面的酸性物質(zhì)可以在凝聚釜內(nèi)被水洗掉，膠液內(nèi)的酸性物質(zhì)在膨脹干燥機(jī)內(nèi)被螺桿擠壓、破碎、汽化后，對(duì)設(shè)備有腐蝕作用，影響橡膠的顏色。

2.2 部分整體螺桿與不銹鋼螺套的組合

由于螺桿軸的斷裂都在直徑從250 mm變到130 mm處，且38CrMoAlA鋼整體螺桿有使橡膠變色的問(wèn)題，因此可以選用2/3的螺旋元件是整體螺桿，出料端1/3的螺旋元件采用不銹鋼螺套的方法，提高螺桿整體強(qiáng)度和解決橡膠變色問(wèn)題。

2.3 螺桿軸與螺套組合

螺桿軸與螺套組合是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的結(jié)構(gòu)。它由38CrMoAlA鋼螺桿軸與若干節(jié)SUS316不銹鋼螺套按照各節(jié)不同的螺距加工組合而成。螺套前螺旋面與軸心夾角呈90°，后螺旋面與軸心夾角呈105°，前、后螺旋面與根部采用半徑為20 mm的圓弧過(guò)渡，消除螺槽內(nèi)的膠料流動(dòng)死角。螺旋面全部采用機(jī)加工成型，頂部堆焊耐磨合金后再次精加工，堆焊HRC硬度為62～64度，表面拋光處理，螺套像穿糖葫蘆一樣串在一起組合成螺桿。需要解決的是螺桿軸斷裂問(wèn)題。

按螺桿軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力和溫差拉應(yīng)力分別進(jìn)行計(jì)算，分析螺桿軸斷裂原因。

（1）按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算螺桿軸最細(xì)處直徑（d）：

d＝17.2（T/τp）1/3＝122.4～142.3（mm）

T＝9 550P/n＝19 804（N·m）

式中：T為扭矩；τp為許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中幾種常用軸材料選取，τp＝35～55 MPa；P為電機(jī)功率，取值為450 kW；n為螺桿轉(zhuǎn)速，取值為217 r·min-1。

串螺套的軸直徑為130 mm、τp大于46 MPa，才可滿足使用要求。

（2）按扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力計(jì)算d。螺桿軸主要起傳遞動(dòng)力作用，即主要承受扭矩。實(shí)心軸的截面系數(shù)（W）和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力（τ）分別為

W＝3.14d3/16＝431 161（mm3）

τ＝T/Wp＝45.95（MPa）

從上述計(jì)算結(jié)果看，軸徑為130 mm即可以滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的使用要求，斷裂處也沒(méi)有出現(xiàn)45°扭斷的斜茬，證明螺桿軸不是被扭斷的。

（3）按溫差應(yīng)力計(jì)算d。膨脹干燥機(jī)夾套的蒸汽溫度為180～240 ℃，螺桿材料38CrMoAlA鋼的線熱膨脹系數(shù)（αL）為11.8 ℃-1，螺套材料SUS316不銹鋼的αL為17 ℃-1，螺套長(zhǎng)度為3 430 mm，SUS316不銹鋼相對(duì)38CrMoAlA鋼升溫220 ℃后長(zhǎng)度增大值（ΔL）為

ΔL＝ΔαLΔTL＝3.92（mm）

式中，L為軸總長(zhǎng)，取值為3 430 mm。

當(dāng)不銹鋼螺套比軸伸長(zhǎng)后，產(chǎn)生的溫差應(yīng)力根據(jù)材料力學(xué)的胡克定律公式計(jì)算：

ΔL＝NL/（EA）

N＝EAΔL/L＝3 032 343（N）

式中：N為軸拉力；E為彈性模量，取值為2×105MPa；A為截面積，即1302×0.785＝13 266.5（mm2）。

根據(jù)材料力學(xué)，軸的許用拉應(yīng)力（σ）為

σ＝N/A＝229（MPa）＜[στ]

螺桿軸的疲勞極限[στ]按下式計(jì)算：

[στ]≈0.156（Rm＋Re）＝283（MPa）

式中，Rm和Re分別為抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。

為了解決螺桿軸斷裂問(wèn)題，有的公司曾經(jīng)采用階梯軸的方法，進(jìn)料段處的軸徑大于130 mm，可是在生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行半年以上，還是出現(xiàn)了螺桿軸從Φ130 mm變徑處斷裂問(wèn)題。從斷裂結(jié)果分析，可能是線熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的拉應(yīng)力將軸拉斷的。如果不是螺桿軸在鍛造或熱處理過(guò)程中存在裂紋，那就是螺桿在使用中螺套溫度高于272 ℃后，就有可能由于溫差應(yīng)力大于疲勞極限，將軸拉斷。從抽出的螺套表面看，螺套局部發(fā)藍(lán)，螺套與襯套金屬摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，不銹鋼在加熱到500 ℃以上就會(huì)出現(xiàn)發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，這可以證明螺桿斷裂是因?yàn)槁萏啄Σ辽鸁釡囟雀哂?72 ℃所致。

2.4 螺桿軸斷裂問(wèn)題對(duì)策

2.4.1 鍵連接問(wèn)題分析

目前，螺桿軸與螺套都是采用單鍵連接，這會(huì)使軸的中心線發(fā)生偏移，當(dāng)受到軸向力時(shí)，螺桿軸相當(dāng)于偏心受壓的圓柱，軸端向一邊偏斜，使螺套與筒體內(nèi)襯發(fā)生磨蹭，加速襯套內(nèi)徑和螺套外徑的磨損。另外單鍵在加工和滲氮處理過(guò)程中也會(huì)因?yàn)榻孛娌粚?duì)稱而發(fā)生彎曲變形。

如果采用對(duì)稱雙鍵，則中心線不變，可以防止加工、熱處理過(guò)程中的變形，但是截面積減小，扭轉(zhuǎn)承載能力降低，可能被扭斷。

2.4.2 選用漸開(kāi)線花鍵連接

由于漸開(kāi)線花鍵較矩形花鍵有許多優(yōu)點(diǎn)，如齒數(shù)多，齒端、齒根部厚，承載能力強(qiáng)，易自動(dòng)定心及安裝精度高。相同外形尺寸下漸開(kāi)線花鍵小徑大，有利于增大軸的剛度。

根據(jù)GB/T 3478.1—2008《圓柱直齒漸開(kāi)線花鍵（米制模數(shù) 齒側(cè)配合）》，漸開(kāi)線花鍵的選用參數(shù)為INT/EXT28×5×30R×5H/5h。漸開(kāi)線花鍵的齒數(shù)為28，模數(shù)為5，壓力角為30°；軸的大徑為145 mm，小徑為132.5 mm。進(jìn)料螺套長(zhǎng)度的2/3處到Φ250 mm處不加工漸開(kāi)線花鍵，保留光軸配合。

采用漸開(kāi)線花鍵連接可以防止軸向偏心受力造成螺桿彎曲變形，減少襯套磨損。

2.4.3 螺桿軸與螺套配合處采用變直徑階梯軸

從進(jìn)料螺套到軸端，螺桿軸與不銹鋼螺套配合直徑采用140，135，130 mm，其各占長(zhǎng)度的1/3，變直徑階梯軸也是一個(gè)解決軸斷裂的好對(duì)策。

3 螺套螺距及起始點(diǎn)和終止點(diǎn)缺口的改進(jìn)

螺桿進(jìn)料螺套的螺距與直徑比由0.64增大到0.96，一、二段螺桿螺距也隨之漸變，取消8個(gè)筒體上的剪切螺釘。螺桿螺紋組合如圖1所示。該螺桿螺紋組合的特點(diǎn)如下。

圖1 螺桿螺紋組合

（1）進(jìn)料段螺距大，可以加速膠料推進(jìn)，減少進(jìn)料口處堵料，解決進(jìn)料口處膠料抱螺桿一起旋轉(zhuǎn)而不向前推進(jìn)，即生產(chǎn)上所謂的不吃料問(wèn)題。

（2）每節(jié)螺套的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)都留有一個(gè)缺口，并且大部分缺口設(shè)在同一方位，目的是讓橡膠中擠壓出來(lái)的水沿缺口流回進(jìn)料斗，從濾網(wǎng)漏出。由于缺口大部分都處于同一方位，造成螺桿中心偏移，軸向力會(huì)使螺桿彎曲，造成螺桿與襯套接觸、磨損。另外，缺口處有一部分水回流，摩擦生熱的水蒸氣也可以沿缺口吹出，阻礙膠料進(jìn)入。因此，取消原缺口，讓擠壓出來(lái)的水從襯套上加大的溝槽中回流，同時(shí)每節(jié)螺套起始點(diǎn)與終止點(diǎn)的方位錯(cuò)開(kāi)，防止螺桿受軸向力偏移，減少螺套與襯套的接觸、磨損，延長(zhǎng)螺桿和襯套的使用壽命。

4 進(jìn)料斗改進(jìn)

對(duì)于進(jìn)料斗不吃料問(wèn)題，解決對(duì)策如下。

（1）進(jìn)料斗下部的濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)既可以選用約翰遜網(wǎng)結(jié)構(gòu)，也可以選用圓弧板（均勻分布若干Φ2 mm的小孔）。此網(wǎng)板應(yīng)可拆卸，以便清理積膠。圓弧面與螺桿外徑的間隙為5～8 mm，弧板上設(shè)凸條，以增大摩擦阻力。

（2）進(jìn)料斗與筒體連接法蘭處增加溝槽，溝槽與襯套的溝槽同深、同寬，溝槽可以阻止膠料抱軸共同旋轉(zhuǎn)不進(jìn)料。溝槽應(yīng)與襯套的溝槽處于相同方位，以便回水流暢。

5 螺桿軸端改進(jìn)

螺桿軸端加前支撐也是解決螺桿與襯套磨損的一個(gè)好對(duì)策。將原來(lái)壓螺套的圓錐帽改成一個(gè)小短軸，短軸與耐磨襯套共用3Cr13鋼淬火處理的摩擦副；或共用不銹鋼鑲嵌硬質(zhì)合金塊的摩擦副；或共用不銹鋼堆焊耐磨層的摩擦副。摩擦副的配合應(yīng)留出熱膨脹后的間隙。

6 結(jié)論

膨脹干燥機(jī)設(shè)備故障主要解決對(duì)策及效果總結(jié)如下。

（1）筒體內(nèi)均勻分布24個(gè)深7 mm、寬16 mm的槽，既有利于被擠壓出來(lái)的水回流，還可以增大摩擦阻力，防止膠料抱螺桿堵料。

（2）螺桿進(jìn)料段的螺套螺距與直徑比由0.64增大到0.96，一、二段螺桿螺距也隨之漸變，取消8個(gè)筒體上的剪切螺釘，可以加速膠料推進(jìn)，減少進(jìn)料口處堵料。

（3）螺桿軸與螺套由單鍵連接改為漸開(kāi)線花鍵連接，可以增大截面積，防止軸在加工、熱處理時(shí)變形，提高螺桿軸的抗拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，延長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)周期。

（4）取消螺套原缺口，并使每節(jié)螺套起始點(diǎn)與終止點(diǎn)的方位錯(cuò)開(kāi)，防止螺桿受偏心力變形，減少筒體內(nèi)襯磨損。

（5）改進(jìn)進(jìn)料斗下部濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并在進(jìn)料斗與筒體連接法蘭處增加溝槽，減少進(jìn)料口處的堵塞，有利于進(jìn)料。

經(jīng)過(guò)以上改進(jìn)，采用DN255螺桿、450 kW電機(jī)、螺桿轉(zhuǎn)速217 r·min-1，夾套內(nèi)最高壓力1.0 MPa的飽和蒸汽，除了開(kāi)車(chē)時(shí)需要夾套蒸汽加熱外，干膠產(chǎn)量小于4.5 t·h-1時(shí)，夾套可以不用通蒸汽，單機(jī)干膠生產(chǎn)能力達(dá)到5 t·h-1，即在不增大電機(jī)功率、不改變螺桿轉(zhuǎn)速、采用1.0 MPa飽和蒸汽壓的前提下，可減少蒸汽用量，延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗，提高單機(jī)生產(chǎn)能力。