PTA重型離心機(jī)的修復(fù)及改進(jìn)

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(yáng)111003）

    摘要：某PTA裝置重型離心機(jī)在經(jīng)過(guò)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(wèn)題。通過(guò)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(lèi)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(wú)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(guò)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(guó)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(guó)Broadband公司1990年代生產(chǎn)的。經(jīng)過(guò)多年的使用，其處理能力和使用性能明顯下降，需要通過(guò)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(jiàn)表1。

    設(shè)備存在的主要問(wèn)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(wèn)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(wú)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(guò)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(wèn)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(guò)程中徑向裝夾力太大，造成零件變形，此類(lèi)大型零件適宜在立車(chē)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(guò)程中的改進(jìn)措施

    5.1轉(zhuǎn)鼓半軸法蘭根部開(kāi)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(wèn)題，盡管設(shè)備使用年限較久，但也說(shuō)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(jiàn)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(jiàn)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(lái)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(wèn)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(guò)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(jiàn)表2。通過(guò)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(guò)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(wèn)題的主要途徑。經(jīng)過(guò)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(yǔ)

    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(guò)激光熔敷修復(fù)了受損的零件，通過(guò)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。