聚丙烯切粒機(jī)退刀原因分析及測(cè)試驗(yàn)證

付仕勇 張洪彬 劉秋玲

（云南云天化石化有限公司）

擠壓造粒機(jī)組是聚丙烯由粉料轉(zhuǎn)化為粒料的關(guān)鍵機(jī)組，粉料經(jīng)過(guò)連續(xù)的熔融、混煉、均化、加壓、過(guò)濾、造粒階段形成最終的聚丙烯粒料產(chǎn)品。其中，在模板與切刀的密切配合下切粒機(jī)負(fù)責(zé)將熔融態(tài)樹脂切削成顆粒狀產(chǎn)品。

UG400型切粒機(jī)為ZSK系列擠壓造粒機(jī)組中的關(guān)鍵設(shè)備，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，刀盤安裝在切粒機(jī)軸上，配套的液壓油系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)切粒小車進(jìn)退、切刀軸進(jìn)退、切粒水室與模板的機(jī)械鎖開閉3個(gè)功能。停車期間切粒機(jī)與模板處于分離狀態(tài)，開車時(shí)切粒機(jī)根據(jù)設(shè)定的程序，切粒小車前進(jìn)至模板處，通過(guò)機(jī)械鎖實(shí)現(xiàn)切粒水室與模板的鎖定并密封，切刀軸前進(jìn)使刀刃與模板造?？踪N合，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)切刀軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)切削造粒。切削的聚丙烯顆粒經(jīng)切粒水冷卻后輸送至下游進(jìn)行脫水干燥。

然而在聚丙烯裝置擠壓造粒機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，切粒機(jī)頻繁出現(xiàn)退刀停車故障，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。因此，急需找到切粒機(jī)退刀停車故障的原因并制定解決措施，以保證機(jī)組的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 存在的問(wèn)題

擠壓造粒機(jī)組開車時(shí)和正常生產(chǎn)過(guò)程中頻繁出現(xiàn)退刀，造成切粒機(jī)高扭矩連鎖停車。根據(jù)記錄，擠壓機(jī)開車時(shí)最多經(jīng)歷過(guò)8次退刀高扭矩連鎖停車，第9次才開車成功；正常生產(chǎn)期間半個(gè)月內(nèi)退刀高扭矩連鎖停車次數(shù)高達(dá)10次，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

與設(shè)備原廠家（德國(guó)科倍?。┘夹g(shù)負(fù)責(zé)人溝通后制定了解決方案，但所提方案均未能有效解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題。

2 故障原因分析

通過(guò)對(duì)切粒機(jī)開車時(shí)和正常生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的退刀造成高扭矩連鎖停車現(xiàn)象進(jìn)行分析，筆者決定從切刀模板使用情況、切粒機(jī)與模板對(duì)中、切粒機(jī)刀壓調(diào)整、模板及切粒水溫度調(diào)整、液壓油系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性等方面進(jìn)行故障排查，并提出解決方案。

2.1 切刀與模板貼合不良造成退刀

對(duì)切粒機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的切刀進(jìn)行受力分析（圖1），切刀以懸臂的姿態(tài)工作，主要承受與切刀直接接觸的4種物質(zhì)產(chǎn)生的作用力，分別為：

圖1 切刀受力分析示意圖

a.刀盤受切刀軸的作用力對(duì)切刀產(chǎn)生向模板方向的壓力，電機(jī)驅(qū)動(dòng)切刀軸和刀盤向切刀施加圓周方向的扭力，也是切刀能切削樹脂的驅(qū)動(dòng)力；

b.經(jīng)熔融泵加壓的樹脂通過(guò)模板造?？讓?duì)切刀產(chǎn)生軸向的阻力，以及樹脂在切刀圓周方向產(chǎn)生的切削阻力；

c.模板造粒帶對(duì)切刀產(chǎn)生軸向阻力，以及切刀在造粒帶上貼合運(yùn)行產(chǎn)生圓周方向的摩擦阻力；

d.由于切刀前刀面為斜面，因此切刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，切粒水會(huì)對(duì)切刀產(chǎn)生圓周方向的阻力，以及向模板方向的壓力。

在這4種力的共同作用下，當(dāng)軸向阻力大于軸向壓力時(shí)，就會(huì)造成切粒機(jī)退刀；當(dāng)圓周方向的阻力大于電機(jī)輸出扭矩保護(hù)值時(shí)，就會(huì)造成電機(jī)過(guò)扭矩連鎖停車。

根據(jù)切粒機(jī)運(yùn)行技術(shù)要求，切刀刃口需與模板造粒帶平行貼合，且切刀與造粒孔刃口均鋒利才能正常切粒，否則樹脂會(huì)在切刀刃口與模板造粒帶之間累積，出現(xiàn)墊刀情況，同時(shí)增加切刀切削阻力。當(dāng)墊刀的樹脂超過(guò)撓性刀盤調(diào)整余量時(shí)，便會(huì)推動(dòng)切刀軸后退，此時(shí)切刀與模板間會(huì)出現(xiàn)大量片料，造成切粒機(jī)扭矩迅速上漲，超過(guò)電機(jī)輸出扭矩保護(hù)值，進(jìn)而觸發(fā)連鎖停車。

2.1.1 切刀與模板刃口不鋒利

當(dāng)切刀與模板造?？兹锌诓讳h利時(shí)，會(huì)使得樹脂無(wú)法順利切斷，切刀切削阻力增大，進(jìn)而出現(xiàn)墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車的情況。但在該情況下，粒料產(chǎn)品中首先會(huì)出現(xiàn)拖尾料。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況可見，顆粒中未發(fā)生拖尾現(xiàn)象，停車檢查模板出料孔刃口和切刀刃口均平整鋒利。在開車不成功的情況下，還啟動(dòng)磨刀程序進(jìn)行磨刀，更換切刀也未能解決退刀的問(wèn)題。因此切刀與模板造?？兹锌诓讳h利問(wèn)題可以排除。

2.1.2 切粒機(jī)與模板對(duì)中不良

切粒機(jī)使用的刀盤為撓性刀盤，其裝刀面的撓度為0.05～0.50 mm。切粒機(jī)軸與模板對(duì)中要求不大于0.20 mm，若機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中因基礎(chǔ)沉降或在安裝時(shí)對(duì)中不良，超出撓性刀盤補(bǔ)償能力，則可能造成切刀刀刃與模板造?？组g存在間隙，進(jìn)而導(dǎo)致墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車的情況。

停車后復(fù)查測(cè)量，撓性刀盤裝刀面的最大撓度為0.48 mm，復(fù)查對(duì)中，切粒機(jī)軸與模板對(duì)中偏差為0.02 mm，均滿足設(shè)計(jì)使用要求，因此切粒機(jī)與模板對(duì)中不良問(wèn)題可以排除。

2.1.3 切粒機(jī)刀壓設(shè)置不合理

切粒機(jī)配套有液壓油系統(tǒng)，液壓油通過(guò)液壓油缸實(shí)現(xiàn)切刀軸進(jìn)刀、退刀，正常生產(chǎn)期間進(jìn)刀壓、退刀壓分別作用在液壓油缸活塞兩端，進(jìn)刀壓需克服退刀壓、刀軸自身阻力、模板造粒孔排出樹脂阻力，使切刀刃口與模板造粒帶均勻貼合，以保證切出的樹脂顆粒大小均勻、刀刃磨損整齊（圖2）。機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定的情況下，刀軸自身阻力、模板造?？着懦鰳渲枇μ幱诜€(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)若進(jìn)刀壓與退刀壓之間壓差過(guò)高，則會(huì)導(dǎo)致切刀刀根磨損嚴(yán)重，刀尖部分與模板造粒帶產(chǎn)生間隙（圖3），進(jìn)而出現(xiàn)墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車情況。若進(jìn)刀壓與退刀壓之間壓差過(guò)低，則會(huì)導(dǎo)致切刀刀尖磨損嚴(yán)重，刀根部與模板造粒帶產(chǎn)生間隙（圖4），進(jìn)而出現(xiàn)墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車情況。

圖2 切刀與模板均勻貼合示意圖

圖3 刀壓過(guò)高時(shí)切刀與模板配合示意圖

圖4 刀壓過(guò)低時(shí)切刀與模板配合示意圖

經(jīng)過(guò)多次試車，當(dāng)進(jìn)刀壓與退刀壓壓差為1.64 MPa時(shí)，切出的樹脂顆粒均勻度、刀刃平整度處于最優(yōu)狀態(tài)。故以該壓差為基準(zhǔn)，通過(guò)計(jì)算獲得最優(yōu)的進(jìn)刀壓和退刀壓。

已知切粒機(jī)液壓油系統(tǒng)退刀壓最大整定值為3 MPa，推動(dòng)切刀軸退刀最小壓力為2 MPa。切刀軸液壓油缸進(jìn)刀、退刀活塞面積比ABW/AFW=1.33。若ΔP=1.64 MPa，退刀壓強(qiáng)PBW=3 MPa，通過(guò)計(jì)算可以得到進(jìn)刀壓強(qiáng)PFW=4.64 MPa，壓力矢量∑F=PFWAFW-PBWABW=4.64AFW-3×1.33AFW=0.65AFW；若ΔP=1.64 MPa，PBW=2 MPa，則PFW=3.64 MPa，壓力矢量∑F=PFWAFW-PBWABW=3.64AFW-2×1.33AFW=0.98AFW。

根據(jù)以上計(jì)算可知，在進(jìn)刀壓與退刀壓壓差為1.64 MPa 時(shí)（進(jìn)刀壓為3.64 MPa，退刀壓為2 MPa），切刀軸可以獲得更大的推力。即在保障切出的樹脂顆粒均勻度、刀刃平整度最優(yōu)的前提下，降低了進(jìn)、退刀壓，提升了切刀抗模板造?？着懦鰳渲臎_擊能力，提升了切粒機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，減少了切粒機(jī)退刀情況的發(fā)生。據(jù)此可以判斷出，刀壓設(shè)置不合理可能是導(dǎo)致退刀的原因。

2.2 模板及切粒水溫度調(diào)整不合理造成退刀

在熔融泵加壓推力作用下，樹脂被壓進(jìn)造粒模板的進(jìn)料腔，通過(guò)模板導(dǎo)熱油加熱流道對(duì)其進(jìn)行再次加熱，并從模板造?？讛D出進(jìn)入切粒水腔室。在切粒水和低壓切粒水腔室環(huán)境的共同作用下，樹脂迅速膨脹，表面固化。擠出造?？椎牟糠郑恍D(zhuǎn)的切刀（動(dòng)刀）和模板造粒帶出料孔端面（定刀）切斷成型，完成造粒。在此過(guò)程中，若模板和切粒水溫度過(guò)低，會(huì)造成樹脂顆粒小和碎屑多的問(wèn)題，影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)能；若模板和切粒水溫度過(guò)高，則會(huì)使樹脂從模板造?？走^(guò)快流出，切粒水不能完全將樹脂表面固化，造成切刀切粒困難，出現(xiàn)墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車的情況。

通過(guò)對(duì)不同牌號(hào)產(chǎn)品進(jìn)行熔點(diǎn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品之間的熔點(diǎn)差異較大。將生產(chǎn)過(guò)程中較少發(fā)生退刀停車故障與頻繁發(fā)生退刀停車故障時(shí)所生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)后者比前者的熔點(diǎn)低20 ℃左右。相應(yīng)的模板和切粒水設(shè)定溫度并沒(méi)有成比例的跟隨調(diào)整，因此模板和切粒水溫度調(diào)整不合理可能是造成退刀的原因。

2.3 液壓油系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定造成退刀

切粒機(jī)配套有液壓油系統(tǒng)，液壓油通過(guò)液壓油缸實(shí)現(xiàn)切刀軸進(jìn)刀、退刀，若運(yùn)行過(guò)程中液壓油系統(tǒng)不能提供穩(wěn)定的液壓油壓力，會(huì)導(dǎo)致切粒機(jī)切刀軸受力不穩(wěn)定，進(jìn)而造成墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車等情況。

通過(guò)對(duì)切粒機(jī)液壓油系統(tǒng)油路進(jìn)行梳理研究，并結(jié)合開車時(shí)設(shè)定的進(jìn)刀、退刀壓發(fā)現(xiàn)，控制退刀壓的溢流閥整定壓力為3 MPa，與設(shè)定的退刀壓相同。根據(jù)溢流閥結(jié)構(gòu)原理，其整定壓力是通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧壓縮量實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)設(shè)定壓力處于溢流閥整定壓力臨界點(diǎn)時(shí)，溢流閥抗干擾能力較弱。系統(tǒng)發(fā)生輕微波動(dòng)，即會(huì)造成溢流閥波動(dòng)，進(jìn)而造成退刀壓、進(jìn)刀壓跟隨波動(dòng)（圖5、6中的綠色曲線代表油壓波動(dòng)趨勢(shì)），最終出現(xiàn)退刀連鎖停車故障，因此液壓油系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定可能是造成退刀的原因。

圖5 切粒機(jī)液壓油系統(tǒng)退刀壓波動(dòng)情況

3 效果驗(yàn)證

根據(jù)上述分析，造成切粒機(jī)退刀連鎖停車問(wèn)題的原因主要集中在3個(gè)方面：一是刀壓設(shè)置不合理，二是模板和切粒水溫度設(shè)置不合理，三是切粒機(jī)液壓油系統(tǒng)不穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)這3個(gè)方面進(jìn)行逐一測(cè)試驗(yàn)證，尋找最終原因。

進(jìn)刀、退刀最優(yōu)壓差為1.64 MPa，同步調(diào)整進(jìn)刀、退刀壓力發(fā)現(xiàn)，在可調(diào)整范圍內(nèi)，不論是升壓還是降壓，效果均不明顯，未能降低切粒機(jī)退刀連鎖停車次數(shù)。

根據(jù)不同牌號(hào)產(chǎn)品熔點(diǎn)不同的特點(diǎn)，分別進(jìn)行試驗(yàn)并記錄其熔點(diǎn)值，針對(duì)頻繁發(fā)生退刀連鎖停車故障時(shí)所生產(chǎn)產(chǎn)品與較少發(fā)生退刀故障時(shí)所生產(chǎn)產(chǎn)品的熔點(diǎn)差值，同比例調(diào)整模板和切粒水設(shè)定溫度，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)切粒機(jī)退刀連鎖停車次數(shù)發(fā)生明顯變化。

在停車期間更換了控制退刀壓的溢流閥，并將退刀壓設(shè)置為2.8 MPa，避開溢流閥3 MPa的整定壓力，通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，切粒機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，未再發(fā)生因退刀而導(dǎo)致的停車故障。

由此可以得出，切粒機(jī)頻繁發(fā)生退刀連鎖停車故障是由模板和切粒水溫度設(shè)置不合理、切粒機(jī)液壓油系統(tǒng)不穩(wěn)定共同導(dǎo)致的。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)擠壓造粒機(jī)組切粒機(jī)頻繁發(fā)生退刀連鎖停車，造成機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的問(wèn)題，通過(guò)觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，研究切粒機(jī)液壓油系統(tǒng)，對(duì)切刀模板使用情況、切粒機(jī)與模板對(duì)中、切粒機(jī)刀壓調(diào)整、模板和切粒水溫度調(diào)整、液壓油系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性等一系列可能造成切粒機(jī)退刀連鎖停車的原因進(jìn)行逐一分析排查，初步確定了刀壓設(shè)置不合理、模板和切粒水溫度設(shè)置不合理、切粒機(jī)液壓油系統(tǒng)不穩(wěn)定3個(gè)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試驗(yàn)證后，最終確定模板和切粒水溫度設(shè)置不合理、切粒機(jī)液壓油系統(tǒng)不穩(wěn)定是導(dǎo)致切粒機(jī)頻繁退刀連鎖停車的主要原因。通過(guò)對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行處理，消除了切粒機(jī)因退刀而導(dǎo)致的停車故障。