PTA重型離心機(jī)的修復(fù)及改進(jìn)

陳正滿，翟英明，胡麗莉，陳本權(quán)，鄧香中

（遼化機(jī)械廠，遼寧遼陽111003）

    摘要：某PTA裝置重型離心機(jī)在經(jīng)過多年的使用后，存在處理能力嚴(yán)重下降、振動(dòng)噪聲大及運(yùn)行周期短等制約裝置平穩(wěn)運(yùn)行的問題。通過對(duì)磨損表面的激光焊接以及密封套的表面金屬陶瓷強(qiáng)化，并對(duì)局部結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，采用SolidWorks建模、ANSYS應(yīng)力分析，從理論上分析出設(shè)計(jì)的不足環(huán)節(jié)，有效地保證了修復(fù)方案的合理性。

    關(guān)鍵詞：重型離心機(jī)；處理能力；振動(dòng)及噪聲；激光焊接；表面強(qiáng)化；改進(jìn)

    中圖分類號(hào)：TQ051.84文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002－2333（2010）05－0000－03

    1·引言

    PTA（PureTerephthalicAcid，PTA）即精對(duì)苯二甲酸，在常溫下是白色粉狀晶體,無毒、易燃，若與空氣混合，在一定限度內(nèi)遇火即燃燒，是重要的大宗有機(jī)原料之一。臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)是利用離心沉降原理分離懸浮液的設(shè)備，它主要用于完成固液相有密度差的懸浮液的固相脫水、液相澄清、粒度分級(jí)、濃縮等工藝過程［1］。PTA裝置離心機(jī)是PTA漿液提純和脫水的關(guān)鍵設(shè)備，而臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)是目前PTA裝置最為普遍采用的設(shè)備［2］。中國石油烏魯木齊石化公司化纖廠PTA裝置所使用的4臺(tái)重型臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)（裝置位號(hào)為：M1-1411A/B、M1-1421A/B），是英國Broadband公司1990年代生產(chǎn)的。經(jīng)過多年的使用，其處理能力和使用性能明顯下降，需要通過大修及改進(jìn)，恢復(fù)設(shè)備的原有能力。

    2·設(shè)備修復(fù)前的設(shè)備基本情況

    設(shè)備的基本參數(shù)見表1。

    設(shè)備存在的主要問題如下：

    （1）轉(zhuǎn)鼓的進(jìn)出料端半軸：配合表面嚴(yán)重磨損及刮傷，法蘭根部出現(xiàn)明顯裂紋，法蘭與軸線的垂直度超差；（2）轉(zhuǎn)鼓直段與錐段：內(nèi)部筋條磨損及局部脫焊撕裂扭曲，配合直口磨損；（3）螺旋卸料器（內(nèi)轉(zhuǎn)子）：葉片外廓磨損刮傷嚴(yán)重，葉片局部扭曲變形；（4）密封軸套：密封表面磨蝕嚴(yán)重；（5）內(nèi)部軸承箱：軸承配合面磨損等。由于存在上述一系列問題，綜合導(dǎo)致這4臺(tái)設(shè)備在運(yùn)行中振動(dòng)嚴(yán)重、處理能力急劇下降、運(yùn)行周期短等。

    3·設(shè)備的修復(fù)方案制訂

    （1）轉(zhuǎn)鼓半軸法蘭根部的裂紋：對(duì)于3件尚未產(chǎn)生貫穿性裂紋，法蘭扭轉(zhuǎn)不太嚴(yán)重的進(jìn)料端轉(zhuǎn)鼓半軸，用機(jī)械方法清除裂紋后，用鎢極氬弧焊進(jìn)行補(bǔ)焊。焊接中嚴(yán)格控制線能量，并且在半軸內(nèi)采用水冷等措施防止變形。焊后將表面修磨光整，最后對(duì)法蘭外緣的配合直口重新進(jìn)行加工，恢復(fù)其原始的形位精度。對(duì)于產(chǎn)生貫穿性裂紋，法蘭扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重，無法修復(fù)的一件半軸，采用鍛焊結(jié)構(gòu)重新制造新的備件。

    （2）半軸上各配合表面：采用激光熔敷鎳合金，焊補(bǔ)后進(jìn)行機(jī)械加工。

    （3）螺旋卸料器（內(nèi)轉(zhuǎn)子）：對(duì)變形的葉片進(jìn)行校正，采用氬弧焊對(duì)葉片外廓進(jìn)行堆焊，然后進(jìn)行機(jī)械加工，達(dá)到葉片的理論外廓和葉片刃口要求。

    （4）轉(zhuǎn)鼓（直段與錐段）：用磨削等機(jī)械方法將筋條拆下，將轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面修磨光整后，用塞焊上新的筋條，用激光焊接修補(bǔ)兩端配合直口，然后上機(jī)床進(jìn)行機(jī)械加工。

    （5）密封軸套：將密封表面進(jìn)行修磨，然后進(jìn)行金屬陶瓷強(qiáng)化，強(qiáng)化后表面磨削加工。

    （6）內(nèi)部軸承箱：所有配合表面用氬弧焊進(jìn)行堆焊，熱處理后重新進(jìn)行機(jī)械加工。

    （7）動(dòng)平衡試驗(yàn)要求：各主要零部件加工后進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)（G2.5），轉(zhuǎn)子總成裝配后進(jìn)行整體動(dòng)平衡試驗(yàn)（G6.3）［6］。

    4·修復(fù)過程中的幾個(gè)要點(diǎn)

    （1）加工基準(zhǔn)的選擇：為了保證零件形位公差要求，告別是同軸度要求，原則上選擇軸承的配合面作為加工基準(zhǔn)。

    （2）保證零件重裝夾精度的措施：部分零件在加工中難以避免調(diào)頭或重復(fù)裝夾問題，保證重復(fù)裝夾精度是保證加工精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。細(xì)長(zhǎng)空芯零件，采用鑲裝芯軸，所有的加工都以中心孔為基準(zhǔn)，保證了重復(fù)裝夾的基準(zhǔn)統(tǒng)一和精度要求。

    （3）控制加工中的裝夾變形：轉(zhuǎn)鼓屬于薄壁零件，為避免加工過程中徑向裝夾力太大，造成零件變形，此類大型零件適宜在立車上利用胎具裝夾，能夠避免裝夾變形，保證裝夾精度。

    5·修復(fù)過程中的改進(jìn)措施

    5.1轉(zhuǎn)鼓半軸法蘭根部開裂和扭轉(zhuǎn)變形  

    （1）失效原因理論分析 4·臺(tái)設(shè)備均出現(xiàn)了同樣的失效問題，盡管設(shè)備使用年限較久，但也說明設(shè)備在強(qiáng)度設(shè)計(jì)上存在嚴(yán)重的不足。為找出薄弱環(huán)節(jié)，采用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)半軸的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算［3］。單元的劃分見圖1。

    為更精確計(jì)算應(yīng)力集中部位的應(yīng)力情況，對(duì)法蘭根部的單元進(jìn)行了更精細(xì)的規(guī)劃［4］，見圖2。

    有限元分析結(jié)果如圖3~圖4所示。圖3為外轉(zhuǎn)鼓模型在離心力作用下的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖。圖4為供料端轉(zhuǎn)子半軸應(yīng)力集中處局部應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖。

    由圖4的分析可以看出，應(yīng)力強(qiáng)度最高處是在應(yīng)力集中的右側(cè)圓角處。原來的進(jìn)口4臺(tái)離心機(jī)就是在這個(gè)位置出現(xiàn)了裂紋，長(zhǎng)期使用后法蘭出現(xiàn)相對(duì)于軸線的扭轉(zhuǎn)，都應(yīng)和此處的應(yīng)力集中有直接關(guān)聯(lián)，所以只要適當(dāng)提高此處的強(qiáng)度，斷裂和變形的問題就會(huì)從根本上得到解決。

    （2）提高強(qiáng)度的有效措施單純?cè)黾咏Y(jié)構(gòu)的尺寸通常不能明顯改善應(yīng)力集中敏感度，解決應(yīng)力集中最有效的方法就是減小結(jié)構(gòu)的突變。鑒于結(jié)構(gòu)允許及材料理論力學(xué)原理可以推測(cè)，適當(dāng)加大法蘭根部的圓角半徑能夠降低應(yīng)力集中的敏感度［5］。對(duì)這一設(shè)想進(jìn)一步通過有限元分析加以驗(yàn)證?，F(xiàn)在主要考慮兩個(gè)幾何尺寸參數(shù)：供料端轉(zhuǎn)鼓半軸的法蘭厚度L以及芯軸與法蘭連接處的圓弧半徑R（圖5），分析二者的改變對(duì)應(yīng)力集中處的應(yīng)力強(qiáng)度的影響。分析計(jì)算結(jié)果見表2。通過表2可以得出結(jié)論，增加法蘭根部厚度對(duì)降低應(yīng)力集中不明顯，而增大法蘭根部圓角才是降低應(yīng)力集中敏感度的有效措施，也是最容易實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的改進(jìn)方案。在組合計(jì)算中，法蘭根部圓角從R15增加到R25，應(yīng)力集中強(qiáng)度可以降低25%~30%。

                      圖5供料端轉(zhuǎn)鼓半軸局部位置結(jié)構(gòu)示意圖

    5.2內(nèi)部軸承頻繁失效

    通過對(duì)4臺(tái)離心機(jī)的使用情況進(jìn)行調(diào)研得知，設(shè)備失效大多由于進(jìn)料端的軸承首先失效導(dǎo)致的。物料進(jìn)入內(nèi)部軸承箱污染潤(rùn)滑脂是導(dǎo)致軸承失效的直接原因，而物料的侵入又多是內(nèi)側(cè)密封損壞，失去保護(hù)作用造成的。物料直接噴濺、密封軸套的密封表面磨蝕是導(dǎo)致其失效的根本原因，因此提高密封軸套的抗磨性能和防止物料直接噴濺是解決問題的主要途徑。經(jīng)過研究，采用了金屬陶瓷對(duì)摩擦表面進(jìn)行強(qiáng)化，提高軸套的耐磨蝕性能。另外，在不改變裝配形式，在密封外側(cè)設(shè)計(jì)安裝一個(gè)拋料環(huán)，阻擋物料直接噴濺內(nèi)側(cè)密封。兩個(gè)聯(lián)合改進(jìn)措施，達(dá)到了延長(zhǎng)密封的壽命、提高設(shè)備運(yùn)行周期的目的。

    6·結(jié)語

    借助ANSYS有限元分析軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行應(yīng)力分析，找出了設(shè)備使用中容易變形的主要原因，通過激光熔敷修復(fù)了受損的零件，通過金屬陶瓷強(qiáng)化和拋料環(huán)保護(hù)等手段提高了密封的運(yùn)行壽命，使離心機(jī)的性能恢復(fù)到了設(shè)備進(jìn)口初期的水平。

    ［參考文獻(xiàn)］

    ［1］孫啟才.離心機(jī)原理結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)計(jì)算［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版，1983.

    ［2］高慎琴，潘永密.化工機(jī)器［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1992.

    ［3］JB/T 8051-1996，離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度計(jì)算規(guī)范［S］.

    ［4］馮立成，周密，易澤明.離心機(jī)復(fù)雜轉(zhuǎn)鼓的有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2002，24（2）：295-297.

    ［5］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

    ［6］JB/T 4335-1991，螺旋卸料沉降離心機(jī)技術(shù)條件［S］.（編輯黃荻）

    作者簡(jiǎn)介：陳正滿（1964-），男，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造方面的工作。