解析反應釜攪拌軸非正常情況發生斷裂損壞原因

李寶林 鄒仁飛 阮勇

摘 要：近年來，隨著我國社會經濟的蓬勃發展，我國化工機械設備制造業也迎來了快速發展的契機。對于反應釜攪拌裝置來說，是化工生產過程必不可少的設備之一。

關鍵詞：化工機械設備;反應釜攪拌裝置;非正常情況;斷裂損壞

在反應釜攪拌裝置當中，攪拌軸為核心部件之一，主要負責對電機的動力進行驅動，然后經攪拌軸傳導至攪拌葉片當中，使攪拌反應釜能夠對化工生產的物料進行攪拌及反應。但是，在實際應用過程中，發現反應釜攪拌軸會發生斷裂損壞的問題，進而影響裝置的正常使用及使用壽命[1]。鑒于此，本課題圍繞“反應釜攪拌軸非正常情況發生斷裂損壞原因”進行分析研究具備一定的價值意義。

1 反應釜攪拌軸非正常情況發生斷裂損壞情況分析

以某化工企業為例，所使用的自吸式組合攪拌釜在使用過程中，反應釜攪拌軸出現非常正常情況下的斷裂損壞問題;該自吸式組合攪拌釜的主要指標參數為：容積為20mm3，攪拌釜直徑為Φ2400mm，攪拌器直徑為Φ650mm，電機功率為55kW，攪拌軸轉速為260r/m，攪拌軸軸徑為Φ120mm。

值得注意的是，該反應釜攪拌裝置中的攪拌軸是在使用6個月后發生斷裂損壞問題。針對攪拌軸斷裂問題，維修專業技術人員針對其攪拌軸的直徑進行強度校核計算，值得注意的是由于該裝置為自吸式攪拌器，在氣液交換方面，是通過在空心軸上開孔的方式實現。通過深入分析，結果顯示：攪拌軸斷裂位置，即為自吸式攪拌器的進氣孔位置。

2 斷裂損壞原因分析

針對上述提到的反應釜攪拌軸在非正常情況下所發生的斷裂損壞問題，經維修專業技術人員的計算及分析，將兩大原因排除之外：其一，掉軸強度不足問題;其二，材料質量問題。進一步通過分析，表明攪拌軸斷裂摘要的原因為“疲勞斷裂”，其具體原因如下：

由于攪拌軸上下端均安裝了底部軸承，上軸承起到滾動的作用，下軸承則起到滑動摩擦的作用，屬于簡支梁結構;處于作業期間下，攪拌轉速為260r/m，因設備攪拌軸偏長，攪拌軸上下軸度存在一些偏差，基于軸上安裝自吸式攪拌器部位因存在通氣孔，且這個部位偏薄，易形成集中應力。

對于軸來說，處于工作期間，主要受扭矩的影響，因攪拌軸和軸度之間有偏差存在，因此當軸處于高速作業狀態下，也會遭遇彎矩的影響;同時，值得注意的是，由彎矩所呈現的彎曲應力為交變應力;如果軸所承受的轉矩大小恒定不變，同時其方向也恒定不變，則由扭矩引發的扭轉切應力，根據其循環特征可知，屬于靜應力;并且，基于氣孔部位的特殊結構當中，會有應力集中情況呈現，這部分的應力可能對材料的許用應力要高;如果零件承受的應力比疲勞極限要高，每一次的載荷循環均會對零件產生一定程度的損傷，且此類損傷為可積累的;如果損傷累積至臨界值，那么零件會產生疲勞破壞。

結合上述分析，再以線性疲勞積累理論為依據，從其中的帕姆格倫-邁因鈉定理可看出，每一次疲勞損傷在線性累加的基礎上，會形成總損傷;而對于軸的疲勞斷裂來說，會經歷多個過程，具體體現為：其一，萌生期，即疲勞裂紋的萌生;其二，擴展期，即亞臨界擴展期;其三，失穩擴展期。

結合上述分析不難發現，對于反應釜攪拌裝置，在使用6個月之后，隨著軸的疲勞斷裂時期不斷的進展，便會導致其軸出現斷裂損壞問題，使反應釜裝置無法繼續正常使用。

3 相關預防措施分析

根據以上對反應釜攪拌軸發生斷裂損壞問題原因的分析，為了避免此類問題的發生，則有必要采取及時有效的預防措施，總結起來具體措施如下：

對于反應釜攪拌裝置，在設計期間需遵守“嚴謹性”的態度;基于設計允許的條件下，確保設計安全系數的合理，滿足設計標準要求。

針對攪拌軸，需進行預判，即預判其有無存在疲勞斷裂的可能性;同時采取更換不同加工工藝的方式，使材料的疲勞性能得到有效改善;并且，基于實踐操作期間，還有必要加強分析試驗，使反應釜攪拌軸發生斷裂損壞的風險降至最低化。

針對反應釜攪拌裝置，還有必要定期進行維護，對固定螺栓進行檢查，觀察、分析有無松動，避免攪拌器出現擺動量增大的情況，進而使反應劇烈震動的出現得到有效避免;并加強槳葉的固定處理，確保其與攪拌軸之間維持垂直關系，將其垂直度誤差控制在<0.4%范圍內。此外，對攪拌器是否腐蝕進行定期檢查，并定期檢查是否存在一些質量缺陷，比如裂紋、松脫以及變形等等;如果存在，及時對癥處理，確保反應釜攪拌裝置運行的質量及安全性。

綜上所述，反應釜攪拌軸基于非正常情況下發生斷裂損壞，其主要原因為疲勞斷裂。為了使反應釜攪拌軸斷裂損壞的發生得到有效預防，則需合理科學設計，加強對攪拌軸在運行期間的故障預判，并且還有必要做好定期維護作業，以此使反應釜攪拌軸斷裂損壞的發生得到有效避免，進一步提高反應釜攪拌裝置的實用價值及使用壽命。

參考文獻：

[1]官星辰，劉航，馬魯寧，趙東亞.連續攪拌反應釜離散模型辨識與滑?？刂芠J].控制工程，2019，26（03）：440-447.