擠壓脫水機主軸開裂失效原因分析及修復

李 朋 孫 濤 董 亮

（1.中國石油蘭州石化公司a.合成橡膠廠；b.化肥廠；2.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

2019年6月在裝置大檢修期間， 維達三分公司檢修人員按照計劃對700#擠壓脫水機減速箱進行解體檢查，在聯軸器脫開的過程中，發現擠壓機主螺旋軸鍵槽處部分金屬基體剝落，軸頭部位嚴重開裂，主軸已無法繼續使用，在無備用軸、進口原廠家螺旋軸價格昂貴且周期長、無法滿足檢修和生產需要的情況下，需要對該軸裂紋產生的原因進行詳細分析，提出可行的修復方案。

1 擠壓脫水機

擠壓脫水機（圖1）主要由電機、減速箱、錐體支架、螺旋軸及腔體等組成，經減速箱作用，將電機輸入轉速由1 475r/min降至125r/min輸出，減速箱輸出軸與螺旋主軸之間采用剛性的夾殼聯軸器進行連接。 因此，減速箱輸出軸采用對稱布置的兩組圓柱滾子推力軸承以承受擠壓脫水機運行時產生的軸向力。 主螺旋軸和籠體柵條均采用三段式設計，分為進料段、增壓段和脫水擠出段，相應的柵條間的間隙分別為0.045、0.030、0.015mm， 在保證水分順利擠出的同時減少橡膠膠體的損失。 擠壓脫水機尾脫水部采用帶座調心滾子軸承，用以承受擠壓脫水機工作時的徑向力和軸的不平衡擺動。

圖1 擠壓脫水機結構示意圖

擠壓脫水機的主要參數如下：

螺桿直徑 355.6mm

功率 220kW

電壓 6kV

輸入轉速 1 475r/min

工作轉速 125r/min

主軸直徑 145mm

擠壓脫水機為橡膠生產的關鍵設備，通過螺旋的旋轉擠壓和腔體容積的變化，對膠料進行剪切、擠壓，從而起到脫除多余水分的作用。 丁腈一車間共有兩臺單螺桿擠壓脫水機， 全部采用FOMG2X-44-4CX14型擠壓機。 年產1.5萬噸丁腈裝置后系統部分由凝聚、擠壓脫水、風送、干燥、稱重、 壓塊及包裝等單元組成， 膠乳經凝聚、靜置、 洗滌和固定篩過濾后， 變成含水量在66%～80%之間的膠粒并進入擠壓脫水機進料段， 由于螺旋槽的螺距變化， 螺旋槽的容積不斷減小，膠料在螺旋的推動下不斷擠壓填實，壓強和溫度不斷升高，從而使多余的水分通過籠體柵條間的間隙擠出。 在擠壓脫水機的出料端，通過調節錐體與螺旋軸間的間隙，使機腔內的溫度和壓力達到最大， 膠料呈黏流態經過錐體后壓力迅速釋放，經膨脹閃蒸脫水后使橡膠中的水分控制在9%～12%之間， 然后經切刀切片造粒后由風送系統送入干燥箱進行進一步的干燥，以得到水分和揮發分達標的橡膠產品。

2裂紋產生的原因

擠壓脫水機主軸軸端的開裂情況如圖2所示。

圖2 擠壓脫水機主軸軸端的開裂情況

根據斷口表面裂紋放射狀線條的走向 （圖3）， 可以初步判斷出裂紋源位于鍵槽的根部；再通過對剝落區斷口形貌的觀察，發現斷口呈明顯的階狀，斷口表面顏色較深，存在大量的污染物質，表面的碳化物堆積較多，說明該部位裂紋的形成時間較長，應為裂紋的起裂點（即裂紋源位置）。 在裂紋1產生后，由于較大的工作扭矩和循環應力的存在，應力集中導致裂紋1迅速長大、蔓延，造成主軸在鍵槽受力側的基體剝落，鍵條接觸面積減小， 鍵槽受壓側的切應力急劇增加；在裂紋1終止點， 由于截面模量的變化和應力集中的作用，產生了垂直軸線方向的裂紋2、3，隨著裂紋2、3之間的貫通， 鍵槽受力的截面積進一步減小，鍵槽的承載能力急劇降低，部分基體材料達到屈服極限后產生塑性變形，裂紋5、6分別沿45°方向和軸向方向形成， 裂紋間的貫穿速度增加，軸頭處的材質劣化速率加快，符合剪切斷裂力學特征。

圖3 裂紋發展趨勢走向

2.1 疲勞應力

疲勞應力腐蝕的本質是應力和介質腐蝕共同作用。 擠壓機螺旋軸需要承受驅動螺旋旋轉的扭矩產生的切應力和橡膠加壓后產生的軸向拉應力，以及由于對中不平衡、膠料密實度不同而導致的縱向壓應力產生的彎矩。 簡化的受力模型和應力分布如圖4所示。 可以看出，B截面為主軸的危險截面，在實際運行中，該截面的強度滿足要求，說明材料的本身是滿足運行強度要求的。A截面的受力情況較為復雜， 由于對中不平衡、鍵槽加工、軸向力及扭矩傳遞等因素的影響，特別是這些力的大小與橡膠的進料量和錐體的開度都有非常大的關系。 因此，在采用剛性聯軸器的條件下，軸端A截面會承受非常大的循環應力，在高應力和循環載荷的作用下，位錯密度不斷增加和累積，平面滑移帶大量增殖，造成塑性變形的累積，導致工件疲勞微裂紋的萌生和擴展，在應力集中作用下極易造成材料的疲勞失效。

圖4 簡化的受力模型和應力分布

2.2 材質劣化

清理后對斷口進行觀察， 斷口整齊光亮，沒有發現明顯的均勻腐蝕現象，敲擊碎片和材料附著牢固的基體，金屬聲較弱，敲擊聲沉悶，斷口符合脆性斷裂的特征。 對剝落碎片和加工后軸表面進行顯微硬度測試， 鍵槽受力側最高為225HV，底部為215HV， 非受力側為203HV， 將軸加工至80mm后硬度值為188HV，根據ASTM標準316奧氏體不銹鋼硬度應小于200HV，所以材質的疲勞劣化、韌性不足是產生脆性斷裂的主要原因。 結合對材料的硬度測定和具體工況的分析，認為硬度的上升是加工硬化和應力長時間作用的結果。 金屬在再結晶溫度下長時間外力作用下產生了晶粒的滑移和位錯的纏結，使晶粒拉長、破碎和纖維化，在金屬內部產生了較大的殘余應力。 此外，再加工硬化使材料受影響區域的塑性和韌性降低，對于承受交變沖擊載荷的零部件，很容易產生裂紋。

3 修復方案的確定

由于大檢修工期和大備件供貨周期不能滿足生產的需要，經與廠機動科協商討論，決定對該軸軸頭進行修復處理。 在對該螺旋軸進行檢測后， 軸其余部位的化學成分和力學性能均滿足ASTM要求， 因此考慮到技術性和經濟性的要求決定采用局部修復的方案。 由于該軸軸頭部位的表面裂紋較多， 所以采用車削清除表面裂紋，在軸頭距端面200mm長度范圍內進行車削清理的過程中，當外徑加工至80mm時，軸的表層裂紋完全消失，表面硬度下降至200HV以下，為保證軸的整體性，初步決定采用鑲嵌套過盈連接的方案。

3.1 過盈連接的優點

過盈連接的結構簡單、定心精度高且承載能力強，工作時僅靠配合面的摩擦力即可傳遞較大的轉矩和軸向力，在沖擊、振動載荷下可以極可靠地工作， 因此在大型機組中得到了廣泛應用。結合擠壓脫水機的工況，筆者認為采用過盈連接是可靠的。

3.2 過盈尺寸的確定

3.2.1 芯軸尺寸

電機功率N=220kW，減速箱的速比i=12.5，軸的工作轉速n=125r/min， 考慮到電機和減速箱的傳動效率，則擠壓脫水機最大軸功率Ps為：

其中，Pm為電機額定功率，η1為減速箱傳動效率，η2為電機功率因數。

擠壓脫水機軸承受的最大扭矩Tmax為：

主軸材料采用316奧氏體不銹鋼，根據ASTM要求，其最小屈服強度［σs］=205MPa，考慮到彎矩和拉應力在正常工作時相對于扭矩值比較小，同時也具有不確定性，因此可以采用簡化模型對芯軸進行強度校核。 按照相應規范準則選取安全系數的最低值k=1.5來計算材料在復雜應力條件下的強度條件， 材料的許用拉應力 ［σ］=［σs］/k=136.7MPa，許用切應力［τ］=0.6［σ］=0.6×136.7=82MPa。

對于鑲嵌套，其抗扭截面系數Wp1為：

其中，比值α=d/D=0.55（d為芯軸直徑，D為鑲嵌套外徑）。

對于芯軸，其抗扭截面系數Wp2為：

得到鑲嵌套的最大切應力τ1=Mt/Wp1=13.445×106÷542855=24.7MPa≤［τ］，其中Mt為軸的最大扭矩。

對于主軸部分， 其最大切應力τ2=Mt/Wp2=13.445×106÷100480=133.80MPa＞［τ］；因此，如果按照完全依靠過盈連接的方式，芯軸部分的強度已不能滿足扭轉強度的要求，而且考慮到截面應力集中系數的問題，單純的過盈連接后連接部位材料的強度不夠，需要采用先脹后焊的方式提高連接部位的整體性， 充分發揮材料的力學性能，提高受力的可靠性。

考慮到鑲嵌套加工鍵槽后應力集中和根部強度的問題， 取應力集中系數K=3.5對鑲嵌套進行計算，則：

則芯軸直徑d=145×0.452=65.54mm， 因此考慮到芯軸的強度儲備，選擇芯軸直徑（結合面直徑）d=70mm進行過盈連接。

3.2.2 過盈量

傳遞載荷所需的最小壓強pfmin為［1］：

其中，T為主軸傳遞的扭矩；μ為結合面的摩擦因數， 鋼-鋼取μ=0.14；d取70mm；lf為結合面的長度，取200mm。

零件不產生塑性變形所允許的最大壓強pfmax為：

其中，νi、νe為材料的泊松比；Ei、Ee為材料的彈性模量，對于奧氏體不銹鋼，E=220GPa；計算得到δmin為：

零件不產生塑性變形時所允許的最大過盈量δmax為：

初選基本過盈量δb≈（δmin+δmax）/2=0.0635mm。對于擠壓脫水機的主軸， 如果選擇較大的過盈量，則會導致裝配困難，且對軸和孔的表面加工精度要求較高。 實際上在采用先脹后焊的連接方式時，希望得到更多的是材料的強度儲備，因此取δmin＜δb＜（δmin+δmax）/2，即過盈量選擇0.06mm。

4 結束語

擠壓脫水機檢修完投入使用后，擠壓脫水機運行情況良好，設備振動和電流波動情況較以前有了一定的改善，說明擠壓脫水機主軸的對中精度對提高擠壓脫水機的壽命具有重要意義。 在凝聚后系統停車清理期間， 對聯軸器打開后檢查，未發現明顯的變形和缺陷，說明軸頭裂紋產生的主要原因是疲勞和應力導致的材質劣化，采用過盈配合和焊接的方式后提高了裝配精度，因此采用該方案對擠壓脫水機主軸進行修復是可行的。