聚丙烯切粒機退刀原因分析及測試驗證

付仕勇 張洪彬 劉秋玲

（云南云天化石化有限公司）

擠壓造粒機組是聚丙烯由粉料轉化為粒料的關鍵機組，粉料經過連續的熔融、混煉、均化、加壓、過濾、造粒階段形成最終的聚丙烯粒料產品。其中，在模板與切刀的密切配合下切粒機負責將熔融態樹脂切削成顆粒狀產品。

UG400型切粒機為ZSK系列擠壓造粒機組中的關鍵設備，由電機驅動，刀盤安裝在切粒機軸上，配套的液壓油系統可實現切粒小車進退、切刀軸進退、切粒水室與模板的機械鎖開閉3個功能。停車期間切粒機與模板處于分離狀態，開車時切粒機根據設定的程序，切粒小車前進至模板處，通過機械鎖實現切粒水室與模板的鎖定并密封，切刀軸前進使刀刃與模板造粒孔貼合，通過電機驅動切刀軸旋轉實現切削造粒。切削的聚丙烯顆粒經切粒水冷卻后輸送至下游進行脫水干燥。

然而在聚丙烯裝置擠壓造粒機組運行過程中，切粒機頻繁出現退刀停車故障，嚴重影響生產效率與產品質量。因此，急需找到切粒機退刀停車故障的原因并制定解決措施，以保證機組的連續穩定運行。

1 存在的問題

擠壓造粒機組開車時和正常生產過程中頻繁出現退刀，造成切粒機高扭矩連鎖停車。根據記錄，擠壓機開車時最多經歷過8次退刀高扭矩連鎖停車，第9次才開車成功；正常生產期間半個月內退刀高扭矩連鎖停車次數高達10次，嚴重影響生產的連續性和穩定性。

與設備原廠家（德國科倍隆）技術負責人溝通后制定了解決方案，但所提方案均未能有效解決現場實際問題。

2 故障原因分析

通過對切粒機開車時和正常生產過程中出現的退刀造成高扭矩連鎖停車現象進行分析，筆者決定從切刀模板使用情況、切粒機與模板對中、切粒機刀壓調整、模板及切粒水溫度調整、液壓油系統運行穩定性等方面進行故障排查，并提出解決方案。

2.1 切刀與模板貼合不良造成退刀

對切粒機運行過程中的切刀進行受力分析（圖1），切刀以懸臂的姿態工作，主要承受與切刀直接接觸的4種物質產生的作用力，分別為：

圖1 切刀受力分析示意圖

a.刀盤受切刀軸的作用力對切刀產生向模板方向的壓力，電機驅動切刀軸和刀盤向切刀施加圓周方向的扭力，也是切刀能切削樹脂的驅動力；

b.經熔融泵加壓的樹脂通過模板造粒孔對切刀產生軸向的阻力，以及樹脂在切刀圓周方向產生的切削阻力；

c.模板造粒帶對切刀產生軸向阻力，以及切刀在造粒帶上貼合運行產生圓周方向的摩擦阻力；

d.由于切刀前刀面為斜面，因此切刀旋轉運動過程中，切粒水會對切刀產生圓周方向的阻力，以及向模板方向的壓力。

在這4種力的共同作用下，當軸向阻力大于軸向壓力時，就會造成切粒機退刀；當圓周方向的阻力大于電機輸出扭矩保護值時，就會造成電機過扭矩連鎖停車。

根據切粒機運行技術要求，切刀刃口需與模板造粒帶平行貼合，且切刀與造?？兹锌诰h利才能正常切粒，否則樹脂會在切刀刃口與模板造粒帶之間累積，出現墊刀情況，同時增加切刀切削阻力。當墊刀的樹脂超過撓性刀盤調整余量時，便會推動切刀軸后退，此時切刀與模板間會出現大量片料，造成切粒機扭矩迅速上漲，超過電機輸出扭矩保護值，進而觸發連鎖停車。

2.1.1 切刀與模板刃口不鋒利

當切刀與模板造?？兹锌诓讳h利時，會使得樹脂無法順利切斷，切刀切削阻力增大，進而出現墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車的情況。但在該情況下，粒料產品中首先會出現拖尾料。

根據現場檢查情況可見，顆粒中未發生拖尾現象，停車檢查模板出料孔刃口和切刀刃口均平整鋒利。在開車不成功的情況下，還啟動磨刀程序進行磨刀，更換切刀也未能解決退刀的問題。因此切刀與模板造?？兹锌诓讳h利問題可以排除。

2.1.2 切粒機與模板對中不良

切粒機使用的刀盤為撓性刀盤，其裝刀面的撓度為0.05～0.50 mm。切粒機軸與模板對中要求不大于0.20 mm，若機組在運行過程中因基礎沉降或在安裝時對中不良，超出撓性刀盤補償能力，則可能造成切刀刀刃與模板造?？组g存在間隙，進而導致墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車的情況。

停車后復查測量，撓性刀盤裝刀面的最大撓度為0.48 mm，復查對中，切粒機軸與模板對中偏差為0.02 mm，均滿足設計使用要求，因此切粒機與模板對中不良問題可以排除。

2.1.3 切粒機刀壓設置不合理

切粒機配套有液壓油系統，液壓油通過液壓油缸實現切刀軸進刀、退刀，正常生產期間進刀壓、退刀壓分別作用在液壓油缸活塞兩端，進刀壓需克服退刀壓、刀軸自身阻力、模板造?？着懦鰳渲枇?，使切刀刃口與模板造粒帶均勻貼合，以保證切出的樹脂顆粒大小均勻、刀刃磨損整齊（圖2）。機組負荷穩定的情況下，刀軸自身阻力、模板造?？着懦鰳渲枇μ幱诜€定狀態，此時若進刀壓與退刀壓之間壓差過高，則會導致切刀刀根磨損嚴重，刀尖部分與模板造粒帶產生間隙（圖3），進而出現墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車情況。若進刀壓與退刀壓之間壓差過低，則會導致切刀刀尖磨損嚴重，刀根部與模板造粒帶產生間隙（圖4），進而出現墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車情況。

圖2 切刀與模板均勻貼合示意圖

圖3 刀壓過高時切刀與模板配合示意圖

圖4 刀壓過低時切刀與模板配合示意圖

經過多次試車，當進刀壓與退刀壓壓差為1.64 MPa時，切出的樹脂顆粒均勻度、刀刃平整度處于最優狀態。故以該壓差為基準，通過計算獲得最優的進刀壓和退刀壓。

已知切粒機液壓油系統退刀壓最大整定值為3 MPa，推動切刀軸退刀最小壓力為2 MPa。切刀軸液壓油缸進刀、退刀活塞面積比ABW/AFW=1.33。若ΔP=1.64 MPa，退刀壓強PBW=3 MPa，通過計算可以得到進刀壓強PFW=4.64 MPa，壓力矢量∑F=PFWAFW-PBWABW=4.64AFW-3×1.33AFW=0.65AFW；若ΔP=1.64 MPa，PBW=2 MPa，則PFW=3.64 MPa，壓力矢量∑F=PFWAFW-PBWABW=3.64AFW-2×1.33AFW=0.98AFW。

根據以上計算可知，在進刀壓與退刀壓壓差為1.64 MPa 時（進刀壓為3.64 MPa，退刀壓為2 MPa），切刀軸可以獲得更大的推力。即在保障切出的樹脂顆粒均勻度、刀刃平整度最優的前提下，降低了進、退刀壓，提升了切刀抗模板造?？着懦鰳渲臎_擊能力，提升了切粒機運行穩定性，減少了切粒機退刀情況的發生。據此可以判斷出，刀壓設置不合理可能是導致退刀的原因。

2.2 模板及切粒水溫度調整不合理造成退刀

在熔融泵加壓推力作用下，樹脂被壓進造粒模板的進料腔，通過模板導熱油加熱流道對其進行再次加熱，并從模板造?？讛D出進入切粒水腔室。在切粒水和低壓切粒水腔室環境的共同作用下，樹脂迅速膨脹，表面固化。擠出造?？椎牟糠?，被旋轉的切刀（動刀）和模板造粒帶出料孔端面（定刀）切斷成型，完成造粒。在此過程中，若模板和切粒水溫度過低，會造成樹脂顆粒小和碎屑多的問題，影響產品質量和產能；若模板和切粒水溫度過高，則會使樹脂從模板造?？走^快流出，切粒水不能完全將樹脂表面固化，造成切刀切粒困難，出現墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車的情況。

通過對不同牌號產品進行熔點檢測發現，產品之間的熔點差異較大。將生產過程中較少發生退刀停車故障與頻繁發生退刀停車故障時所生產的產品進行比較，發現后者比前者的熔點低20 ℃左右。相應的模板和切粒水設定溫度并沒有成比例的跟隨調整，因此模板和切粒水溫度調整不合理可能是造成退刀的原因。

2.3 液壓油系統運行不穩定造成退刀

切粒機配套有液壓油系統，液壓油通過液壓油缸實現切刀軸進刀、退刀，若運行過程中液壓油系統不能提供穩定的液壓油壓力，會導致切粒機切刀軸受力不穩定，進而造成墊刀、退刀和高扭矩連鎖停車等情況。

通過對切粒機液壓油系統油路進行梳理研究，并結合開車時設定的進刀、退刀壓發現，控制退刀壓的溢流閥整定壓力為3 MPa，與設定的退刀壓相同。根據溢流閥結構原理，其整定壓力是通過調節彈簧壓縮量實現的，當設定壓力處于溢流閥整定壓力臨界點時，溢流閥抗干擾能力較弱。系統發生輕微波動，即會造成溢流閥波動，進而造成退刀壓、進刀壓跟隨波動（圖5、6中的綠色曲線代表油壓波動趨勢），最終出現退刀連鎖停車故障，因此液壓油系統運行不穩定可能是造成退刀的原因。

圖5 切粒機液壓油系統退刀壓波動情況

3 效果驗證

根據上述分析，造成切粒機退刀連鎖停車問題的原因主要集中在3個方面：一是刀壓設置不合理，二是模板和切粒水溫度設置不合理，三是切粒機液壓油系統不穩定。通過對這3個方面進行逐一測試驗證，尋找最終原因。

進刀、退刀最優壓差為1.64 MPa，同步調整進刀、退刀壓力發現，在可調整范圍內，不論是升壓還是降壓，效果均不明顯，未能降低切粒機退刀連鎖停車次數。

根據不同牌號產品熔點不同的特點，分別進行試驗并記錄其熔點值，針對頻繁發生退刀連鎖停車故障時所生產產品與較少發生退刀故障時所生產產品的熔點差值，同比例調整模板和切粒水設定溫度，監測發現切粒機退刀連鎖停車次數發生明顯變化。

在停車期間更換了控制退刀壓的溢流閥，并將退刀壓設置為2.8 MPa，避開溢流閥3 MPa的整定壓力，通過監測發現，切粒機運行穩定，未再發生因退刀而導致的停車故障。

由此可以得出，切粒機頻繁發生退刀連鎖停車故障是由模板和切粒水溫度設置不合理、切粒機液壓油系統不穩定共同導致的。

4 結束語

針對擠壓造粒機組切粒機頻繁發生退刀連鎖停車，造成機組運行不穩定，嚴重影響生產的問題，通過觀察現場情況，研究切粒機液壓油系統，對切刀模板使用情況、切粒機與模板對中、切粒機刀壓調整、模板和切粒水溫度調整、液壓油系統運行穩定性等一系列可能造成切粒機退刀連鎖停車的原因進行逐一分析排查，初步確定了刀壓設置不合理、模板和切粒水溫度設置不合理、切粒機液壓油系統不穩定3個問題，經過多次測試驗證后，最終確定模板和切粒水溫度設置不合理、切粒機液壓油系統不穩定是導致切粒機頻繁退刀連鎖停車的主要原因。通過對這兩個問題進行處理，消除了切粒機因退刀而導致的停車故障。