PTA 螺旋輸送機螺旋軸斷裂分析及其改善

謝亨贊

（海南逸盛石化有限公司，海南 儋州 578101）

對于PTA 生產裝置而言，其裝置內存在螺旋輸送機，該螺旋輸送機的主要作用是對PTA/CTA 的粉料進行輸送，然而，由于PTA/CTA 粉料中含有較強的腐蝕性，如果周圍環境濕度較高，就會使得粉料產生結塊，從而給輸送機帶來堵塞現象，一旦輸送機產生堵塞，就會給設備的整體運行造成故障，該故障主要表現在螺旋軸表面產生大量的裂紋，甚至斷裂，而一旦螺旋輸送機的螺旋軸產生斷裂，就會給設備的正常運作帶來不利影響，不僅會阻礙工廠的日常生產，情況嚴重時，還會威脅工作人員的人身安全，容易引發嚴重的安全事故。

1 螺旋軸斷裂成因

一般而言，PTA 螺旋輸送機的螺旋軸主要使用的是無縫厚管壁，兩端采用加熱的方式進行鑲嵌，并且采用焊接驅動和非驅動軸頭，同時，螺旋葉片會利用焊接的方式與螺旋輸送機螺旋軸的厚壁管外部進行有效的連接，在連接過程中，主要通過焊接連續螺的方式來進行有效的支撐，這樣才不會使得螺旋軸因螺旋輸送機自身的重力而產生表面撓曲度的現象。在實際運行過程中，螺旋輸送機的螺旋軸始終會處于上部受壓、下部受拉的狀態，而且，螺旋軸在轉動過程中，受壓和受拉的部位也會交替變化，因此，螺旋軸在運行過程中主要承受著交變應力，如果該應力不均勻，或者螺旋軸表面產生細小的缺陷，就會給其表面帶來一定數量的裂紋，隨著時間的不斷增長，裂紋就會逐漸擴大，裂紋擴大的同時，也會降低螺旋軸截面的承受能力，當截面無法承受螺旋輸送機傳遞的扭矩時，螺旋軸便會產生斷裂現象。

2 螺旋軸強度和剛度增強途徑

一般而言，螺旋輸送機在使用過程中，輸送機的螺旋軸主要是兩端支撐結構。因此，工作人員在對螺旋軸進行分析時，可采用簡單的軸力學模型對螺旋軸的受力狀況進行有效的分析，而且，工作人員首先要了解螺旋軸在運行過程中主要承受的是交變應力，那么，只有有效降低螺旋軸表面所承受的交變應力的值，這樣才能延長螺旋軸的使用壽命。對于材料力學行業領域，其在簡支梁計算方面存在固定的公式，可以使用到螺旋軸受力分析計算中，因此，在計算軸管中部彎矩的最大值（用Mmax表示）時，使用到的公式為Mmax=ql2/8，其中，簡支梁的長度就是螺旋軸兩軸承之間的距離，用字母l 表示，公式中q 所表示的便是軸管的平均荷載力，算出以上公式結果以后，就需要對軸管所受彎矩表面的應力值進行計算，該應力值用Wmax表示，計算公式為Wmax=Mmax/G，其中，G 為軸管抗彎截面模量，與主管的外徑和厚度之間存在直接聯系。

在對PTA 螺旋輸送機螺旋軸進行設計過程中，其在提高螺旋軸強度和剛性時，可以采用大直徑且厚度較厚的軸管來完成。然而，根據以上的計算公式，螺旋軸總長度達到固定值時，適當地增加螺旋軸壁管的厚度和截面尺寸，雖然能夠提高螺旋軸自身的抗彎截面，但也會增大軸管表面的平均荷載力，從而便會增加相應的彎矩。因此，如果只是單獨增加螺旋輸送機螺旋軸的長度，就會降低螺旋軸表面的應力值，無法達到預期的效果。此外，將螺旋軸自身的結構特征和荷載特點輸入到ANSYS 有限元分析軟件中并構建有限元模型，在規定的螺旋輸送機螺旋軸邊界條件下，對螺旋軸的整體結構進行有效的分析，然后，就能在軟件中將螺旋軸在運行過程中所受到的力的大小、力的方向以及受力的狀態進行模擬，從而就能在分析結果上算出螺旋軸的表面應力以及所能承受的最大撓曲度。總而言之，除了增大螺旋軸軸管直徑和壁厚這個方法以外，還能夠增加螺旋軸兩端支撐部位的直徑，這也能有效降低螺旋軸整體的彎曲豎直，從而就能降低表面的應力值，這也能達到提高螺旋軸的強度和剛性的效果。

3 軸管的防裂方法

（1）一般而言，對于PTA 螺旋輸送機螺旋軸，其表面焊接的結構與螺旋軸自身的使用壽命之間存在直接聯系。因此，為了提高螺旋軸自身的剛性和強度，可以通過減少軸管表面的焊接部位和焊接量來完成。對于螺帶式螺旋軸結構而言，其主要是通過焊縫帶動加強板以及支撐桿來進行轉動，針對與螺旋葉片進行有效焊接的支撐桿而言，其作用主要是推動物料向前運動，在此過程中，主管與加強板之間主要受到焊縫所承受的剪切應力，而且，多處加強板焊縫周邊出現的位置會與軸心線的裂紋相互垂直。此外，螺旋輸送機螺旋軸管中部裂紋的長度較長，該處裂紋會使得螺旋軸表面的裂紋逐漸擴大并最終產生軸管的斷裂現象。螺帶式螺旋軸結構結構圖如圖1 所示。

圖1 螺帶式螺旋軸結構

（2）針對螺旋管中部產生裂紋且裂紋長度較長這個現象，可以將軸管周圍安裝的加強板進行拆除，然后，在軸管中插入支撐桿，并與主管表面進行有效的焊接，改進后的螺帶式螺旋軸結構圖如圖2 所示。在對螺帶式螺旋軸結構進行改進后，雖然裂縫問題有所好轉，但是，如果螺旋輸送機螺旋軸處于長期運作狀態，焊縫處依然會產生裂紋，對該處裂紋產生的原因進行分析，主要原因是焊接的支撐桿在螺旋輸送機螺旋軸中是處于懸臂結構，起到了支撐作用，并且螺旋輸送機對物料所產生的力應用在支撐桿的頂端。在螺旋軸運行過程中，支撐桿會隨著螺旋軸的轉動而處于設備的下方，此時，會推動物料向前進，在此過程中，會受到相應的荷載力，而如果支撐桿隨著螺旋軸旋轉到設備的上部，就沒有材料可供支撐桿推動，此時，支撐桿不受到任何力的作用。在螺旋軸整個旋轉運行過程中，支撐桿根部焊接縫依然處于交變荷載力的作用下，一旦運作時間較長，焊接處也會產生裂縫。

圖2 螺帶式螺旋軸的結構(改進一)

（3）針對以上情況，需要對改進后的螺帶式螺旋軸結構進行再次的改進。在改進過程中，將支撐桿作為一個整體穿過軸管，此時，支撐桿便不是螺旋軸的懸臂結構，一定程度上提高了螺旋軸自身的剛性，而且，將支撐桿整體插入軸管中，支撐桿與軸管之間的焊縫高度相比改進前得到了大幅度降低，同時，在焊接過程中，也需要對焊接的方式進行良好的改進，可以采用氬弧焊的方式，這樣就不會使得螺旋軸管表面因焊接操作而產生缺陷。再次改進后的螺帶式螺旋軸的結構圖如圖3所示。

圖3 螺帶式螺旋軸的結構(改進二)

4 PTA 螺旋輸送機螺旋軸主軸的結構改造

一般而言，PTA 螺旋輸送機的長度約為11 米，因此，可以將一臺螺旋輸送機改裝成兩個串聯的且每個長度為六米的螺旋輸送機，這樣就能有效降低螺旋輸送機螺旋軸主軸的長度，從而就能降低主軸的撓度。在選擇螺旋軸整鍛厚壁管時，嚴禁對厚壁管進行拼接，同時，確保厚壁管兩端都采用實心軸進行加強。對于螺旋中空軸和兩端的實心軸的材質而言，一般利用進口的316L，而且，用于螺旋軸輸送機的不銹鋼鍛件要符合JB4728-1999 不銹鋼鍛件技術條件的規定和標準要求。此外，可以將螺旋軸和葉片的外表面進行打磨并拋光，在打磨過程中，確保表面的粗糙度不大于五微米，而且，也要對螺旋軸殼體內部進行打磨拋光，確保內部的粗糙度也不大于五微米，這樣才能減小螺旋輸送機在輸送物料時，物料本身與主軸、螺旋葉片、外殼之間的摩擦力，從而就能延長螺旋輸送機的使用壽命。對于螺旋輸送機的軸承而言，其可以采用進口雙列調心滾柱軸承，而且，軸承內必須帶有內錐套，這樣才能為輸送機的安裝工作提供良好的便利。由于輸送機的殼體在較高運行溫度下會產生一定的熱膨脹量，因此，需要將輸送機的支座一端進行有效的固定，其他部分可以按照實際的使用需求設置為可滑動形式。在對螺旋輸送機進行改裝以后，對主軸的改裝圖如圖四所示，同時，改裝完成后，也要對螺旋輸送機進行現場布置，布置過程中可以遵照圖五的現場布置示意圖來進行。在圖4 中1為實心軸、2 為空心主軸、3 為螺旋葉片，在圖5 中，1 為驅動電機、2 為支承基座、3、4 為螺旋輸送機、5 為樓板。

圖4 改造后的主軸結構示意圖

圖5 螺旋輸送機現場布置示意圖

5 螺旋輸送機的制造及驗收

5.1 制造加工要求

對于殼體和螺旋軸這兩個主要部件而言，對其有著明確的規定，一般而言，PTA 螺旋輸送機螺旋軸殼體都會經過下料、成形、對接這三個流程，當對接操作完成以后，確保螺旋軸直線度的要求為0.6‰，而且，對于螺旋軸兩端軸承座定位的殼體兩段端板內的孔洞而言，需要采用專用的工裝組對焊接，這樣才能確保螺旋軸兩端板內孔的同軸度和端板平面與軸線的垂直度相等。此外，在對螺旋軸、中空管進行加工之前，要將中空管道垂直度進行矯正，確保其自身的直線度小于0.6‰，然后，對螺旋軸的中空管與軸頭進行加熱并進行鑲嵌。最后，用鉸制孔銷釘將中空管與軸頭進行有效的固定，同時，將螺旋軸的兩端頭進行焊接。因此，對于螺旋軸軸頭與中空軸連接操作而言，其主要采用三種連接形式：第一，焊接法。第二，采用過盈配合法。第三，首先，要選購總數為12 個且直徑為20 毫米的稍釘，每四個為一組，共分成三組，將稍釘嵌入螺旋軸和中空軸連接的相對應的部位，以此提高連接的穩定性。在將螺旋軸焊接完成后，要將螺旋軸表面的應力進行消除，然后，對螺旋軸的整體進行有序的加工，確保每組兩個軸頭處于同軸度位置，而且，在將螺旋葉片打造成型以后，要確保模具的導程誤差不會超過正負五毫米。此外，對于任意模具而言，其誤差要控制在正負10 毫米范圍之內。最終，對殼體表面、螺旋軸內外表面、葉片外表面進行打磨拋光處理，打磨拋光完成以后，確保螺旋軸、葉片的內外表面粗糙度均小于1.6 微米。

5.2 檢驗

利用超聲波探傷技術對螺旋軸的厚壁管進行整體的掃描。在利用超聲波探傷操作過程中，要將殼體表面所有的焊縫進行著色處理，同時，對厚壁管與葉片之間的焊縫也要進行著色處理。然后，在螺旋葉片與中空軸進行對接之前，對將要采用的焊接工藝進行綜合評定，只有滿足實際的標準要求，才能進行焊接操作，而且，保證螺旋葉片對后著色探傷。此外，對于螺旋軸的殼體而言，要對其進行水壓或氣密性實驗，確保殼體表面的剛度、硬度以及氣密性均滿足實際的使用標準要求。

6 結語

綜上所述，工作人員在使用螺旋輸送機時，其必須采取相對應的措施來提高軸管須的剛度和強度，這樣才能確保螺旋輸送機螺旋軸能夠長時間處于安全穩定的運行狀態。因此，首先，要了解螺旋輸送機螺旋軸運行的原理，對螺旋軸運行過程中所產生的以及受到的應力進行綜合分析，在分析結果的基礎上，選擇合適的中空軸軸徑、壁厚和兩端軸承安裝的部位的尺寸。此外，不僅要確保螺旋軸整體結構的完整性，還要盡量減少軸管外表面焊接部位和焊接縫的數量，將焊接縫的高度控制在合理范圍內，并采用氣體保護焊接法，這才能確保PTA 螺旋輸送機螺旋軸能夠良好地運行，不會產生斷裂現象。