橡膠膨脹干燥機設備故障分析及對策

孟 明，白 亮，孟 闐

（1.北京化工大學 機電工程學院，北京 102425；2.中國石化工程建設公司，北京 100101；3.北京畢派克項目有限公司，北京 100101）

膨脹干燥機是順丁橡膠（BR）及丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）生產的主要設備[1-2]。膨脹干燥機將含水率為8%～12%的BR或SBS顆粒通過螺桿的擠壓、摩擦生熱、剪切破碎及膨脹和閃蒸作用，將含水率降到1%以下，是橡膠后處理干燥生產的主要設備。進口和國產橡膠膨脹干燥機都存在進料口不吃料、螺桿軸斷裂、螺套和襯套磨損及筒體裂紋等問題，本文分析設備故障原因，并提出相應解決對策[3-9]。

1 筒體結構改進

膨脹干燥機筒體主要由蒸汽通道結構、剪切螺釘座、夾套、耐磨襯板、連接法蘭和蒸汽進出口接管等部件組焊而成，使用過程中筒體內漏是筒體報廢的主要原因。

1.1 筒體結構分析及優選

目前，筒體結構主要有以下4種方案。

（1）不銹鋼圓筒外用4根35#方鋼組焊后，再用4塊圓弧板組成蒸汽通道結構。該蒸汽通道結構造價低，剪切螺釘與35#方鋼不容易發生粘連，但是由于兩種材料的線熱膨脹系數不同，使用一段時間后，溫差應力會使焊口出現裂紋，造成蒸汽內漏到筒體內，導致揮發分超標，筒體報廢。

（2）選用厚壁不銹鋼鋼管，沿軸向切削留出方鋼后的凹槽，再用不銹鋼圓弧板組焊出蒸汽通道結構。同材質組焊，沒有焊口裂紋造成蒸汽內漏問題，但造價偏高，且剪切螺孔因材質較軟而容易損壞。

（3）選用加方鋼等后的不銹鋼鋼管，按照剪切螺釘之間的位置切環形槽，再用圓弧板組焊出蒸汽通道結構。同材質組焊，因環形焊縫多，如果沒有進行焊后消除應力的熱處理，使用一段時間后筒體會出現裂紋而報廢。

（4）在不銹鋼內圓筒上按照剪切螺釘的位置開孔，將剪切螺釘的不銹鋼圓座焊接在內圓筒上，再將兩個半圓形夾套板焊上，組成蒸汽夾套，也是一個不錯的選擇。

綜合分析，選擇方案（2）和（4）比較可行。

1.2 耐磨襯套改進

筒體內的耐磨襯套內徑與螺桿外徑的間隙為3 mm，材料選用不銹鋼內堆焊3 mm的耐磨層，耐磨襯套長度為筒體總長度的1/4。襯套內均勻分布24個深7 mm、寬16 mm的槽，槽的端點要一直通到進料斗的漏水板處。槽以正下方的中心線為基準，圓周均勻分布。開深、寬槽主要是防止膠料與螺桿同轉，使膠料如同螺母一樣，隨螺桿轉動被推向機頭。開槽可使膠料塞入溝槽內，如同滑動軸承用油膜托起轉子，同理，用膠料托起螺桿，減少螺桿與襯套的磨損。開槽可增大膠料與襯套的摩擦熱和摩擦阻力，減小夾套蒸汽用量。開槽還有利于一部分被擠壓出來的水從槽內回流到進料斗處，從漏水板的孔或縫隙中漏出。

2 螺桿組合優化

螺桿是機組的關鍵部件，在生產過程中出現螺桿軸斷裂、螺套磨損和生產能力不足等問題，分析原因并提出解決對策。

2.1 整體螺桿材料的特點與問題

從加工角度看，膨脹干燥機采用整體螺桿是可以的，主要是材料選擇，38CrMoAlA鋼的抗拉強度不低于980 MPa，且價格低；SUS316不銹鋼的抗拉強度不低于440 MPa，強度不到38CrMoAlA鋼的一半。采用SUS316不銹鋼整體加工的螺桿耐腐蝕，橡膠不會變顏色，但SUS316不銹鋼螺桿扭轉強度不夠，容易被扭斷。SUS316不銹鋼按螺套根部直徑172 mm計，扭轉強度也沒有Φ130 mm的38CrMoAlA鋼高。

38CrMoAlA鋼加工后滲氮處理，整體剛度大，如果能夠控制橡膠中水分的pH值不小于7，則不會出現橡膠變色問題。當橡膠中水分的pH值小于6.5時，滲氮層被磨掉后，橡膠會呈現灰色或磚紅色。要控制橡膠中水分的pH值不小于7，除了在凝聚釜中加堿以外，還要控制聚合釜硼催化劑加入位置，催化劑進釜后，釜內攪拌器能將其刮掉，立即分散到膠液中，不能在催化劑進口處停留。膠液表面的酸性物質可以在凝聚釜內被水洗掉，膠液內的酸性物質在膨脹干燥機內被螺桿擠壓、破碎、汽化后，對設備有腐蝕作用，影響橡膠的顏色。

2.2 部分整體螺桿與不銹鋼螺套的組合

由于螺桿軸的斷裂都在直徑從250 mm變到130 mm處，且38CrMoAlA鋼整體螺桿有使橡膠變色的問題，因此可以選用2/3的螺旋元件是整體螺桿，出料端1/3的螺旋元件采用不銹鋼螺套的方法，提高螺桿整體強度和解決橡膠變色問題。

2.3 螺桿軸與螺套組合

螺桿軸與螺套組合是目前國內外普遍采用的結構。它由38CrMoAlA鋼螺桿軸與若干節SUS316不銹鋼螺套按照各節不同的螺距加工組合而成。螺套前螺旋面與軸心夾角呈90°，后螺旋面與軸心夾角呈105°，前、后螺旋面與根部采用半徑為20 mm的圓弧過渡，消除螺槽內的膠料流動死角。螺旋面全部采用機加工成型，頂部堆焊耐磨合金后再次精加工，堆焊HRC硬度為62～64度，表面拋光處理，螺套像穿糖葫蘆一樣串在一起組合成螺桿。需要解決的是螺桿軸斷裂問題。

按螺桿軸扭轉強度、扭轉剪應力和溫差拉應力分別進行計算，分析螺桿軸斷裂原因。

（1）按扭轉強度計算螺桿軸最細處直徑（d）：

d＝17.2（T/τp）1/3＝122.4～142.3（mm）

T＝9 550P/n＝19 804（N·m）

式中：T為扭矩；τp為許用扭轉剪應力，按《機械設計手冊》中幾種常用軸材料選取，τp＝35～55 MPa；P為電機功率，取值為450 kW；n為螺桿轉速，取值為217 r·min-1。

串螺套的軸直徑為130 mm、τp大于46 MPa，才可滿足使用要求。

（2）按扭轉剪應力計算d。螺桿軸主要起傳遞動力作用，即主要承受扭矩。實心軸的截面系數（W）和扭轉剪應力（τ）分別為

W＝3.14d3/16＝431 161（mm3）

τ＝T/Wp＝45.95（MPa）

從上述計算結果看，軸徑為130 mm即可以滿足扭轉強度和扭轉剪應力的使用要求，斷裂處也沒有出現45°扭斷的斜茬，證明螺桿軸不是被扭斷的。

（3）按溫差應力計算d。膨脹干燥機夾套的蒸汽溫度為180～240 ℃，螺桿材料38CrMoAlA鋼的線熱膨脹系數（αL）為11.8 ℃-1，螺套材料SUS316不銹鋼的αL為17 ℃-1，螺套長度為3 430 mm，SUS316不銹鋼相對38CrMoAlA鋼升溫220 ℃后長度增大值（ΔL）為

ΔL＝ΔαLΔTL＝3.92（mm）

式中，L為軸總長，取值為3 430 mm。

當不銹鋼螺套比軸伸長后，產生的溫差應力根據材料力學的胡克定律公式計算：

ΔL＝NL/（EA）

N＝EAΔL/L＝3 032 343（N）

式中：N為軸拉力；E為彈性模量，取值為2×105MPa；A為截面積，即1302×0.785＝13 266.5（mm2）。

根據材料力學，軸的許用拉應力（σ）為

σ＝N/A＝229（MPa）＜[στ]

螺桿軸的疲勞極限[στ]按下式計算：

[στ]≈0.156（Rm＋Re）＝283（MPa）

式中，Rm和Re分別為抗拉強度和屈服強度。

為了解決螺桿軸斷裂問題，有的公司曾經采用階梯軸的方法，進料段處的軸徑大于130 mm，可是在生產實際運行半年以上，還是出現了螺桿軸從Φ130 mm變徑處斷裂問題。從斷裂結果分析，可能是線熱膨脹系數差異產生的拉應力將軸拉斷的。如果不是螺桿軸在鍛造或熱處理過程中存在裂紋，那就是螺桿在使用中螺套溫度高于272 ℃后，就有可能由于溫差應力大于疲勞極限，將軸拉斷。從抽出的螺套表面看，螺套局部發藍，螺套與襯套金屬摩擦會產生高溫，不銹鋼在加熱到500 ℃以上就會出現發藍現象，這可以證明螺桿斷裂是因為螺套摩擦生熱溫度高于272 ℃所致。

2.4 螺桿軸斷裂問題對策

2.4.1 鍵連接問題分析

目前，螺桿軸與螺套都是采用單鍵連接，這會使軸的中心線發生偏移，當受到軸向力時，螺桿軸相當于偏心受壓的圓柱，軸端向一邊偏斜，使螺套與筒體內襯發生磨蹭，加速襯套內徑和螺套外徑的磨損。另外單鍵在加工和滲氮處理過程中也會因為截面不對稱而發生彎曲變形。

如果采用對稱雙鍵，則中心線不變，可以防止加工、熱處理過程中的變形，但是截面積減小，扭轉承載能力降低，可能被扭斷。

2.4.2 選用漸開線花鍵連接

由于漸開線花鍵較矩形花鍵有許多優點，如齒數多，齒端、齒根部厚，承載能力強，易自動定心及安裝精度高。相同外形尺寸下漸開線花鍵小徑大，有利于增大軸的剛度。

根據GB/T 3478.1—2008《圓柱直齒漸開線花鍵（米制模數 齒側配合）》，漸開線花鍵的選用參數為INT/EXT28×5×30R×5H/5h。漸開線花鍵的齒數為28，模數為5，壓力角為30°；軸的大徑為145 mm，小徑為132.5 mm。進料螺套長度的2/3處到Φ250 mm處不加工漸開線花鍵，保留光軸配合。

采用漸開線花鍵連接可以防止軸向偏心受力造成螺桿彎曲變形，減少襯套磨損。

2.4.3 螺桿軸與螺套配合處采用變直徑階梯軸

從進料螺套到軸端，螺桿軸與不銹鋼螺套配合直徑采用140，135，130 mm，其各占長度的1/3，變直徑階梯軸也是一個解決軸斷裂的好對策。

3 螺套螺距及起始點和終止點缺口的改進

螺桿進料螺套的螺距與直徑比由0.64增大到0.96，一、二段螺桿螺距也隨之漸變，取消8個筒體上的剪切螺釘。螺桿螺紋組合如圖1所示。該螺桿螺紋組合的特點如下。

圖1 螺桿螺紋組合

（1）進料段螺距大，可以加速膠料推進，減少進料口處堵料，解決進料口處膠料抱螺桿一起旋轉而不向前推進，即生產上所謂的不吃料問題。

（2）每節螺套的起始點和終止點都留有一個缺口，并且大部分缺口設在同一方位，目的是讓橡膠中擠壓出來的水沿缺口流回進料斗，從濾網漏出。由于缺口大部分都處于同一方位，造成螺桿中心偏移，軸向力會使螺桿彎曲，造成螺桿與襯套接觸、磨損。另外，缺口處有一部分水回流，摩擦生熱的水蒸氣也可以沿缺口吹出，阻礙膠料進入。因此，取消原缺口，讓擠壓出來的水從襯套上加大的溝槽中回流，同時每節螺套起始點與終止點的方位錯開，防止螺桿受軸向力偏移，減少螺套與襯套的接觸、磨損，延長螺桿和襯套的使用壽命。

4 進料斗改進

對于進料斗不吃料問題，解決對策如下。

（1）進料斗下部的濾網結構既可以選用約翰遜網結構，也可以選用圓弧板（均勻分布若干Φ2 mm的小孔）。此網板應可拆卸，以便清理積膠。圓弧面與螺桿外徑的間隙為5～8 mm，弧板上設凸條，以增大摩擦阻力。

（2）進料斗與筒體連接法蘭處增加溝槽，溝槽與襯套的溝槽同深、同寬，溝槽可以阻止膠料抱軸共同旋轉不進料。溝槽應與襯套的溝槽處于相同方位，以便回水流暢。

5 螺桿軸端改進

螺桿軸端加前支撐也是解決螺桿與襯套磨損的一個好對策。將原來壓螺套的圓錐帽改成一個小短軸，短軸與耐磨襯套共用3Cr13鋼淬火處理的摩擦副；或共用不銹鋼鑲嵌硬質合金塊的摩擦副；或共用不銹鋼堆焊耐磨層的摩擦副。摩擦副的配合應留出熱膨脹后的間隙。

6 結論

膨脹干燥機設備故障主要解決對策及效果總結如下。

（1）筒體內均勻分布24個深7 mm、寬16 mm的槽，既有利于被擠壓出來的水回流，還可以增大摩擦阻力，防止膠料抱螺桿堵料。

（2）螺桿進料段的螺套螺距與直徑比由0.64增大到0.96，一、二段螺桿螺距也隨之漸變，取消8個筒體上的剪切螺釘，可以加速膠料推進，減少進料口處堵料。

（3）螺桿軸與螺套由單鍵連接改為漸開線花鍵連接，可以增大截面積，防止軸在加工、熱處理時變形，提高螺桿軸的抗拉伸、剪切、扭轉強度，延長運轉周期。

（4）取消螺套原缺口，并使每節螺套起始點與終止點的方位錯開，防止螺桿受偏心力變形，減少筒體內襯磨損。

（5）改進進料斗下部濾網結構，并在進料斗與筒體連接法蘭處增加溝槽，減少進料口處的堵塞，有利于進料。

經過以上改進，采用DN255螺桿、450 kW電機、螺桿轉速217 r·min-1，夾套內最高壓力1.0 MPa的飽和蒸汽，除了開車時需要夾套蒸汽加熱外，干膠產量小于4.5 t·h-1時，夾套可以不用通蒸汽，單機干膠生產能力達到5 t·h-1，即在不增大電機功率、不改變螺桿轉速、采用1.0 MPa飽和蒸汽壓的前提下，可減少蒸汽用量，延長設備的運轉周期，保證產品質量，降低能耗，提高單機生產能力。