膨胀干燥机主轴断裂原因分析及对策.

1、2005年第4期2003年9月23日，大庆石油化工总厂化工厂 橡胶装置后处理E线膨胀干燥机（M -304）进料段螺套与进料斗发生摩 擦，致使进料斗过热已呈暗红色，且减速机振动并逐渐加剧，停车对设备进行检 查，发现减速机地脚螺栓断一根，且地脚发现裂纹，需对该设备进行检修。 操作人员排料时发现膨胀干燥机不出料，减速机振动大，紧急停车重新对膨胀 干燥机认真检查，在干燥机的主电机联轴节处进行盘车，发现盘车非常轻松，仔细 检查确认膨胀干燥机螺杆主轴断。 L I工作原理 厳胀干燥机主翌山上也机s液丿J偶件器.齿町 口遠馆、膨脈干燥机主体4部分组IAL其主体部对 蛊构示意图见图h 乩迪肌-I 机心嘔：、lZ

2、|段上小松： fr-T 科吨：LFW ：卞：M -机机 d lidI 眉1勝胀干博机细絢示世 由挤压脱水机输出的胶料，通过膨胀干燥机进料斗连续不断地喂入进料段，然 后通过剪切螺钉剪切胶料，旋转螺杆挤压胶料并把其沿轴向输送推进；与此同时， 采用过热蒸汽加热胶料至10 017 5C，以软化胶料而利于挤压、 干燥，逐步升温增压的胶料由挤出段输出并被压入模板并挤出。由于胶料在机 筒内受到剪切、挤压和摩擦作用，至V挤出段胶料压力已升至57MPa，当处于 受压状态的胶料从模板喷嘴以高速喷出时，因模板外侧的空间突然增大，胶料的压 力由约7MPa骤降至0,使胶条突然膨胀放松，胶条内所含水分迅速闪蒸气化， 并由

3、此达到使胶料进一步膨胀干燥的目的。 1.2主要结构 主螺杆由2 4节螺套依次套在螺杆主轴上并通过键联接而组成，首段螺套为5 圈等螺距螺纹，为便于安装剪切螺钉，压缩段和挤出段均设计成单开放式的断续螺 纹，各段螺距均不相同。螺距由低压侧向高压侧逐渐缩小，利用螺距缩小来造压和 增加摩擦省热，以挤出胶料中的水分，提高干燥能力。螺杆头为锥形结构，利于螺 杆主轴的调心定位。 3段夹套式机筒彼此用螺栓联接，每段机筒都 有供蒸气加热或水冷却的进出口。沿机筒每隔一段距离的四周上均布有4个由 外向内壁延伸凸出的剪切螺钉，共2 0圈，剪切螺钉与螺套的螺槽相 对应，其作用是断裂剪切螺杆上的胶料，阻止胶料随螺杆同轴旋转

4、并促使其沿 轴向挤压推进。 每两节机筒或与短节的联接处共4处衬有支撑衬套，对机筒的安装起定心作用 及利于机体的密圭寸。支撑衬套内表面堆焊3mm左右的硬质合金层，与4个支撑衬 套位置对应的E、F两节螺旋套表面也堆焊硬质合金，以提高耐磨性。在挤出段的 末端装有模板，用螺栓固定在短节。干燥机的螺杆主轴为单端固定的悬臂轴，悬臂 端长达3.9m，悬 膨胀干燥机主轴断裂原因分析及对策 许中义 谢志文 （大庆石油化工总厂化工厂，黑龙江大庆1 6 3 7 1 4 ） 摘要：膨胀干燥机是顺丁橡胶装置后处理单元的关键设备。文中简要介绍了膨 胀干燥机的工作原理和结构，通过对膨胀干燥机主轴断裂原因，从理论上分析了主

5、轴在交变应力作用下断裂发生、发展的过程，并从设备操作、结构上分析了交变应 力产生的原因和对设备产生的危害，并针对这些问题，提出了解决和防止主轴断裂 的措施。关键词：膨胀干燥机；主轴；断裂；原因；对策中图分类号：TQ0 5 1.8 文献标识码：E 文章编号：16714962 (2005) 04 0035 03 炼油与化工35 炼油与化工第16卷 臂端主要靠4个支撑衬套支撑。 2膨胀干燥机断裂主轴的检查 发现主轴断裂后，当天进行拆检。解体检查时发现干燥机主轴是在第一节螺旋 套定位轴肩A截面处断裂见图2,断口呈剪切断面。支撑衬套是9月1日检修时更 换的，经检查，四节支撑衬套的磨损都很小，各节螺套也未

6、发现磨损，说明9月1 日 停车*次址丙询r段改造计划停丰冉有就h 月23：日主轴断裂停车说明在这期槪的操作辿 有大的同J6L 禹2澎胀f煤机空轴皓拘示童 S勝帐干蝶机主轴断裂分析 XI上轴断製感因 9破坏。轴在运行过程中，通过穿在主轴上的螺套将橡胶由进料段推进到模头 处，主轴主要承受扭转剪切应力，由于外部负载变化的影响，剪切应力也呈周期性 变化，这样就产生了交变应力。轴在交变应力的作用下，产生疲劳断裂。从金属的 疲劳断裂理论分析，主轴断裂的产生经历了3个阶段。与主应力方向大体成4 5。倾斜的疲劳扩展是第I阶段。本阶段一般仅一两个晶粒深，但所占疲劳寿命的 比例却不低。由于裂纹扩展的速率很低，故在

7、这部分断口上一般看不出任何扩展的 特征形貌。 与主应力方向垂直的疲劳扩展是第U阶 段。在此阶段中，每经一个载荷循环，裂纹就往前扩展一步。在循环加载、卸 载过程中，将在裂尖区产生塑性变形区，此时受到拉伸和压缩性应变循环，就要发 生局部断裂扩展，塑性区也往前推进一步。根据载荷的不同，每一循环中开裂的金 属可能经历了不止一次二次，而许多次的塑性应变循环。 瞬断区。 此时，由于有效截面很小，加上裂纹很深而应力集中，应力强度因子达到很高 的水平，其断裂过程同单调加载情形相似1。 3.2主轴交变应力产生的原因 3.2. 1开、 停车过于频繁该装置开工以来，后处理设备运行一直不太稳定，仅在运行的近 两个半月

8、内，E线共开、停车达5 5次之多，从电机开车的计数器上显示，这5 5 次开、停车电机启动116次。由于膨胀干燥机的主电机功率高达5 8 8 Kw，每 次膨胀干燥机电机的启动都将使干燥机主轴的扭转应力由零突变至最大值，此时的 主轴承受了巨大的交变应力。而自7月1日至9月2 3日短短的8 0多天里，干燥 机主轴就受到了116次负载由零突变至最大值的交变应力突变，这种交变应力的 产生，对轴的断裂产生重大的影响。 3.2.2下料不均膨胀干燥机正常操作时，主轴转 数应根据进料量大小适当调整。7月份以来，经常发生凝聚釜到后处理的物料 负荷波动幅度过大的情况，严重时甚至断料。在物料负荷波动幅度过大的情况下，

9、 相应的螺杆转数不可能及时做相应调 整。在进到干燥机内的物料偏少时，在机体内会出现间断空膛，而间断空膛要 比机体充满物料时在主轴上产生的扭转应力小，这种交变载荷也是产生交变应力的 原因之一，虽然此时产生的交变应力和开停机产生的交变应力相比要小很多，但 是，下料不均的情况却时刻存在，产生交变应力的次数也相当巨大，因此对主轴的 疲劳断裂也产生重大的影响。 3.2.3频繁堵料在干燥机进料段发生堵料时，进 料段的物料积存在进料斗，不再进到机体内，而操作人员不可能每次都及时发 现干燥机已经堵料并马上停机，此时干燥机大电机将继续运转。由于此时物料不再 进到机体，而主轴还在继续旋转，此时主轴受到的剪切力要小

10、于正常开车时的剪切 力，两者间的剪切力的差别要大于机体间断空膛的情况，此时产生的交变应力对主 轴断裂也是重要原因之一。 3.2.4螺套与下料斗发生机械摩擦由于断料及 下料不均，经常造成螺套与下料斗发生摩擦，直至发热、发红，此时主轴的温 度已达到6 0 07 0 0 C，致使主轴进料段处形成多次退火，其强度极限已严重 下降。此次主轴断裂时正处于因摩擦发红状态，而高温状态下材料的强度极限比正 常温度下的强度极限低很多。所以，因摩擦发热、发红造成主轴强度严重下降，也 是主轴断裂的主要原因之 3 6 2005年第4期一。3.3轴的结构不合理 分析主轴断裂的原因，除了交变应力的影响, 断裂处的应力集中也

11、是重要原因之一。据了解，与大庆石油化工总化工厂同型 号的膨胀干燥机，北京燕化橡胶厂的干燥机主轴曾多次发生断裂，茂名石化橡胶厂 同型号的膨胀干燥机去年曾发生过主轴断裂的故障，前不久又发生了同样的故障， 且断裂部位都相同。分析各厂主轴断裂的原因，主轴结构不合理也是重要原因之 一。由于轴肩处产生应力突变，造成该处应力集中，在交变应力作用下，加剧了主 轴断裂的周期。 4防止主轴断裂的措施4.1加强操作人员的技术培训 要防止膨胀干燥机主轴断裂，首先要保证膨胀干燥机的安全平稳运行，尽可能 降低非计划停车次数。所以要在加强操作人员的技能培训上下功夫。根据膨胀干燥 机的各项运行参数，制订当运行参数超标时如何调

12、整的各项措施，并认真组织操作 人员进行技术培训，考试合格后上岗，确实保证膨胀干燥机的安全平稳运行。 4.2稳定凝聚单元的操作 后处理单元的上一道工序是凝聚单元，凝聚单元的操作是否稳定、生产负荷是 否稳定是影响后处理单元是否平稳运行的重要因素。前面已分析，由于下料不均， 对膨胀干燥机主轴的疲劳断裂会产生重要影响。所以，稳定凝聚单元的操作，保证 生产负荷的平稳，是保证膨胀干燥机安全平稳运行的对策之一。 4.3提高橡胶产品的内在质量 橡胶产品内在质量的好坏，直接影响到橡胶 后处理设备尤其是膨胀干燥机的操作。橡胶产品的内在质量取决于聚合单元聚 合反应的好坏。聚合反应好，并且稳定，橡胶的门尼值恒定，凝胶

13、含量低，橡胶的 各项性能指标优良，到后处理单元的橡胶就不易堵、不易挂，反映在膨胀干燥机的 设备操作上就不易堵料。如果聚合反应不稳定，橡胶物性就不好，在膨胀干燥机的 操作上反映出来的就是易堵料，设备的各项操作参数失控。而聚合反应的好坏，和 回收单兀精制的原料丁二烯和溶剂油的质量有关，还和操作人员的操作水平有关。 所以，只有加强对橡胶产品内在质量的控制，膨胀干燥机的运行才会平稳。 4.4增加设备连锁保护 为了加强膨胀干燥机的安全平稳运行，针对膨胀干燥机的操作特点，下一步要 增加设备的联锁保护，使得操作人员能够及时发现设备运行异常现象。比如增加堵 料报警联锁、模头压力联锁以及大电机频繁启动延时联锁等

14、，切实保证膨胀干燥机 的安全平稳运行，延长其使用寿命。 4.5优化主轴结构 由于膨胀干燥机主轴轴肩处的应力集中是引起主轴断裂的原因之一，所以在有 机会对主轴结构进行改造时要对此处结构加以优化，避免或减少应力集中。比如在 此处加轴套等。 参考文献： 1吴望周，化工设备断裂失效分析基础M,东南大学出版社， 19 9 1 收稿日期：2005 08 27 作者简介：许中义，男，高级工程师，1 9 8 3年毕业于东北重型机械学院， 现从事化工设备技术管理工作，已发表论文10余篇。 Abstract:Theexpansiondryeristhecri ticalequipmentforthefinishi

15、ngunitofb utadienerubberplant.Workingprinciple andconstructionoftheexpansiondryeri sintroduced，theoccurrenceanddevelopm entofthemainshaftbreakageunderaltern ativestressareanalyzedtheoreticallyt hroughtheanalysisofthecauseforthebre akageoftheexpansiondryermainshaft，th ecauseof sanditzs analyzed onandcon reventin ingandth gthesepr er;mains easure occurrence harmfulnes intermsoft struction, gmainshaft esolutiona oblems.Key haft;break ofalterna stotheequ heequipme andthemea breakagef resetfort words:exp age;cause tivestre