螺旋输送机的断轴原因分析及改造

时间：2024-07-28

王治华缪建军

(1.南京天华化学工程有限公司；2.中国石化仪征化纤股份有限公司)

螺旋输送机的断轴原因分析及改造

王治华*1缪建军2

(1.南京天华化学工程有限公司；2.中国石化仪征化纤股份有限公司)

针对某PTA装置中的螺旋输送机突然发生的断轴情况，分析造成断轴的原因并提出改造方案。

螺旋输送机断轴改造

螺旋输送机俗称“绞龙”，是利用螺旋的旋转运动实现物料在管道或料槽内的水平或垂直输送的一种机构。螺旋输送机可用于输送粉状、颗粒状或小块状物料，相较于其他输送设备，螺旋输送机具有结构简单，制造成本低，维修方便，输送料槽封闭，对环境的污染小；可在线路的任意一点装料，也可在多点进行装料和卸料等优点；并且在物料输送过程中可同时进行混合、搅拌或冷却等工艺操作，因此在石化、造纸、粮食、采矿及冶金等行业得到了广泛的应用。

随着螺旋输送机的广泛应用和研究发展，出现了一些新型的螺旋输送机结构，如变螺距、大倾角以及可伸缩等螺旋输送装置[1]，另外还有应用于污泥行业的无轴螺旋输送机等，尽管其种类日益增多，但是对螺旋输送机在其寿命周期内的可靠性研究和性能结构改进依然是目前学者的研究重点。路原睿等采用有限元分析软件ANSYS对螺旋轴在不同载荷条件下的受力状况进行分析，并采用循环载荷下的疲劳应力评定方法对计算结果进行了评定，结论认为螺旋轴结构能够满足寿命要求[2]。张智慧分析了实现物料倾角输送的柔性螺旋输送机挠性螺旋体(弹簧)断裂的原因，通过更换其材料和结构型式解决了弹簧断裂的问题[3]。

基于对螺旋输送机的可靠性研究，笔者以某项目PTA装置干燥机入口的螺旋输送机结构改造为例进行分析，对改造之前的螺旋输送机进行结构和受力分析找出造成螺旋轴断裂的原因，并在此基础上进一步提出了相应的改造方案。

1 改造前结构与断轴原因

该螺旋输送机位于PTA装置干燥机入口，用于输送PTA滤饼(含水15%)，其结构如图1所示。

图1 改造前螺旋输送机的结构示意图

螺旋输送机的轴管采用304L无缝钢管，叶片采用10mm厚的钢板拉制成形，螺旋轴的跨度即两端轴承之间的距离为8 350mm。因跨度较大，为防止轴管中间部位变形过大，故采用前端轴承、尾部轴承加中间吊挂轴承的三点支撑形式。设备在现场安装投入运行后不到一年的时间，螺旋轴就从中间发生断裂；此螺旋输送机为PTA干燥装置中的重要输送设备，一旦出现问题，就会导致整个装置停产，给工厂造成很大的损失，故业主要求立刻进行断轴原因分析和结构改造。

通过对设备的设计、制造及现场运行情况的综合分析，认为导致螺旋轴断裂的原因有两方面的因素：首先，由于螺旋轴跨距较大，由前端轴承、尾部轴承加中间轴承支撑的螺旋轴力学模型简化为三点支撑的静不定梁，如果在加工制造或装配过程中，不能保证三点同心，则会造成轴在运转过程中各处受力不均，导致中间吊挂轴承处产生较大的附加载荷，长期高速运转下最终造成此处的疲劳断裂；其次，由于介质中含有醋酸和设备运行中的定期碱洗，会对轴管和叶片造成不同程度的腐蚀，这对轴的强度也有一定的削弱。

2 改造方案和分析

改造在原装置基础上进行，故输送距离不变，考虑到单根轴跨距较长，变形较大，无法保证轴的刚度，同时为避免出现之前的三点支撑时同心度偏差过大的问题，最终改造方案为：将螺旋轴分为两段，每段采用一个外部轴承和一个吊挂轴承支撑，每根轴单独设置驱动装置，保证原来的输送距离和设计输送量不变，改造前后的螺旋轴参数对比见表1，螺旋输送机结构如图2所示。

表1 改造前后螺旋轴基本参数对比表

图2 改造后螺旋输送机的结构示意图

2.1 螺旋轴分段设计

改造后的螺旋输送机将螺旋轴分成两段，单根轴的长度缩短，跨度减小，轴的最大挠度减小，刚度提高。对于螺旋轴的强度计算，通常将螺旋轴简化为承受均布载荷的简支梁模型，其最大挠度在梁的中间，最大挠度为[4]：

此处主要考虑由于轴管、叶片自重产生的均布载荷。从表1可比较出，α和q变化较小，对挠度的影响不大，挠度的变化主要取决于跨度。改造后的方案中轴的跨度约为原来的一半，则轴的最大挠度约减小为原来的1/16。挠度大幅减小，在相同条件下，轴的挠度越小，其寿命越长[5]。在机械设计手册中，对于此类传动轴通常要求轴的允许挠度不超过轴支撑跨距的0.000 3～0.000 5，设计时须详细计算轴的最大挠度不超过允许范围，另外还须对轴的强度和刚度进行详细计算，保证其强度和刚度满足传动的机械性能要求。改造后的方案轴的刚性增强，其使用寿命延长。

2.2 三点支撑变两点支撑

改进后的方案中采用两点支撑，轴的同心度容易得到保证，便于制造和安装。对于原方案中三点支撑的轴来说，支撑点的任意微小变形都会使轴三点的同心度差异增大，且三点不同轴所产生的附加力随轴的变形量和刚度而增加[6]，有时产生的附加力甚至超过工作载荷数倍以上，在轴连续高速运转过程中，很容易造成中间轴承的磨损和发热，最终导致中间轴承损坏或者导致轴在此处断裂。在此类长跨距支撑梁的设计中，若两点支撑时结构设计合理，选用的轴承和轴的刚度能够满足要求，应尽量避免采用三点支撑，以避免静不定问题的出现。

2.3 吊挂轴承的材料选择和密封设计

中间吊挂轴承设计成分半形式(图3)，轴瓦采用304L，轴套采用Rulon材料制成，此种材料可耐酸、碱腐蚀，采用此种材料制成的轴套具有优良的耐磨性和自润滑性能，这样就可从根本上保证中间吊挂轴承的机械性能。轴承座与轴瓦之间用紧定螺钉进行固定，防止此二者之间的相对滑动，减少对轴瓦的磨损；设置填料密封，防止物料进入轴承内，保护轴承；在螺旋输送机壳体上开设检修口，便于安装检修更换轴承或清理物料。

图3 吊挂轴承结构示意图

2.4 螺旋轴分段

将螺旋轴分成两段后，对每根轴来说输送距离减小，在相同输送量的条件下，轴功率减小。对于每根新的螺旋轴来说，所需电机功率降低，电机减速机型号降低。由于两根轴各自单独配备驱动装置，因此采用电机减速机直连加链传动的方式来带动螺旋轴(图4)，以达到设计所要求的转速。由于为改造项目，螺旋输送机所处空间有限，故将电机底座板通过连接板、螺栓固定在螺旋输送机的端座上，以保证链轮中心距可调，并在端座上增加筋板以提高其刚度。由于端座与壳体端法兰通过螺栓连接，考虑到电机、减速机的重量对端座造成的附加弯矩较大，因而将螺旋输送机壳体的端法兰延伸至底面，并增设筋板，设置成壳体端座，增加其刚性，提高承载能力。

图4 驱动装置示意图