滤碱机转鼓支承机构改造

2016-12-20崔树刚刘焕明王宗岩张卫球王仁善

纯碱工业 2016年1期

关键词：托轮轮轴轴瓦

崔树刚,刘焕明,王宗岩,张卫球,王仁善

(山东海化股份有限公司纯碱厂，山东潍坊 262737)

滤碱机转鼓支承机构改造

崔树刚,刘焕明,王宗岩,张卫球,王仁善

(山东海化股份有限公司纯碱厂，山东潍坊 262737)

通过对滤碱机转鼓气轴滑动轴瓦支承方式改造为托轮式支承，改变气轴与轴瓦间的滑动摩擦为气轴与托轮之间的滚动摩擦，减少了转鼓运行时的转动阻力，降低了电机减速机的负荷。

真空滤碱机；转鼓；气轴；轴瓦；托轮；改造

外滤面真空转鼓式过滤机是目前我国纯碱行业应用较为广泛的固液相分离过滤机械，在纯碱生产中，主要用来分离碳化取出液中的重碱结晶和母液，故在碱厂称为滤碱机(下称滤碱机)，是纯碱生产的关键设备之一，它的性能优劣和工作状况，对纯碱质量以及企业经济效益，起着举足轻重的作用。目前我厂采用的是过滤面积为20 m2的外滤面真空转鼓过滤机。

1 项目实施背景

目前我厂新、老线重碱车间在用的14台20 m2真空转鼓式过滤机是由成都天保化工机械有限公司生产的，设备本体材料为不锈钢。设备总重量约23 t，转鼓自重约6 t。服役时间大都在6～10年以上，大部分投产使用至今未进行设备大修和改造，目前相继出现转鼓负荷变大，传动齿轮磨损，齿厚减薄超出规定极限，转鼓气轴、轴瓦接触面磨损，主传动减速机频繁损坏，电机频繁烧毁。非计划性停车维修频繁，损耗大，无法满足正常生产需求。

2 原因分析与解决方案

2.1 原因分析

滤碱机转鼓的安装方式是转鼓通过气轴与轴瓦座固定安装在滤碱机碱液槽两侧的机架上，通过气轴上的齿轮在驱动装置带动下，转鼓在轴瓦上绕自身轴线旋转，轴瓦与气轴形成滑动摩擦副。由于滑动摩擦副的摩擦系数较大，气轴转速较低(≤1.8 r/min),脂润滑方式在相对运动较低的状态下难以形成可靠有效的润滑油膜，使得轴瓦与气轴滑动摩擦面处于半干摩擦状态。时间久了，气轴、轴瓦滑动摩擦面就开始磨损，润滑效果变得更差，转鼓转动摩擦阻力进而增大，电机、减速机负荷升高，电流升高，直至烧毁电机。减速机断轴、机壳拉裂等疲劳损坏故障频繁发生。长期以来的检修没有从根本上去有效解决。久而久之，形成恶性循环。最终导致减速机整机报废。不但增加了维修工作量，还造成维修成本的居高不下。

2.2 解决思路

为进一步降低滤碱机转鼓气轴与轴瓦滑动摩擦阻力大带来的种种弊端，设计一种新型转鼓支承装置——托轮支承机构，在不改变设备原设计、原有结构基础上，在轴瓦原安装位置设计安装四个托轮，替代轴瓦，转鼓气轴座落在托轮上。转鼓通过气轴上的齿轮在驱动机构带动下绕自身轴线旋转时，气轴带动托轮作相对转动方向相反的滚动。改变原来气轴轴瓦滑动摩擦为气轴托轮的滚动摩擦，可大大降低转动时的摩擦阻力，以减少电机、减速机的工作负荷，从而降低设备故障率，延长设备使用周期，提升设备的性能。

2.3 方案设计

滤碱机转鼓托轮支撑机构，设计由托轮总成、托轮座、导轨、调整机构等部分组成(如图1、图6)。

图1 托轮支承示意图

2.3.1 托轮总成

托轮总成是该支承装置的主要部件，由托轮、滚动轴承、托轮轴及其他附属零件构成(如图2)。

图2 托轮部件装配示意图

托轮采用铸钢材料作基体，外衬非金属材料，非金属材料与铸钢铸造为一个整体(毛坯件)，再进行机械加工成形。非金属材料必须耐酸碱，耐磨损，硬度低于气轴(不锈钢材质)硬度，最大限度的保护气轴，延长气轴寿命。托轮内装配两只双列球面圆柱滚子轴承，轴承两端通过轴承压盖固定在托轮内，压盖设计有骨架油封达到轴承防尘防水的目的。轴承内圈装有带止动台肩的托轮轴，防止托轮轴向窜动。托轮轴通过键连接固定在托轮座上。托轮绕托轮轴轴线转动，轴固定不动，形成定轴式托轮。

托轮总成的设计：

1)托轮材料的选择

滤碱机转鼓气轴材料为316L不锈钢，其硬度≤187 HB，铸钢件材料硬度一般在156～450 HB之间，比316L硬度高。如果托轮直接使用铸钢制造，势必造成气轴滚动挤压磨损速率高于托轮，造成气轴寿命低于托轮，这是不允许的。因此，应考虑选择托轮材料表面硬度要低于316L材料硬度，尽最大可能延长气轴使用寿命。

经论证，选择在托轮外圆周上衬一层非金属材料PEEK(化学名称为聚醚醚酮)，该材料为线性芳香族半结晶性高分子化合物。其机械性能具有刚性和柔性，对交变应力下的抗疲劳性能特别突出，可与合金钢相媲美；自润滑性能优越，耐磨性强；耐强酸碱腐蚀，具有很高的化学稳定性；易加工，可采用注射、挤压、模压、熔融等成型制造，机械切削性等同于碳钢。综合性能优越，在许多特殊领域可以替代金属、陶瓷等传统材料。

2)滚动轴承的设计选型与校验

滤碱机托轮支承承受的重量主要有转鼓(8 152 kg)、压辊(2 134 kg)、左右分配头(1 344 kg)、齿轮(1 342 kg)，合计重量12 972 kg，考虑生产时加上物料估算总重不会超过15 000 kg，在此按15 000 kg重量推算，该重量被4个托轮平均分担，那么每个托轮平均所分担的重量(即轴承静载荷)为3 750 kg，即3 750×9.8 N=36 750 N，每个托轮设计装有二只球面圆柱调心滚子轴承(型号为22315)，那么，每只轴承受到的静载荷为18 375N，设计轴承寿命为25 000 h，转速≤10 r/min,按以上使用条件，进行轴承选型、校核(计算过程非本文所阐述内容，故略之)，可得到如下数据：

轴承类型：调心滚子轴承

轴承代号：22315

轴承参数：轴承内径75 mm，轴承外径160 mm，轴承宽度55 mm，额定动载荷258 000 N，额定静载荷238 000 N，极限转速2 800 r/min，润滑方式：脂润滑。

工作参数：径向载荷18 375 N，轴向载荷5 000 N，使用寿命28 000 h，工作转速10 r/min，接触角10°，载荷系数1.1。

计算结果：当量动载荷34 441.10 N，当量静载荷33 937.00 N，计算寿命700 627 h。

校验结果：所选轴承(22315)工作状态当量动载荷34 441.10 N<额定动载荷285 000 N，当量静载荷33 937.00 N<额定静载荷238 000 N，工作转速10 r/min<极限转速28 000 r/min，设计使用寿命28 000 h，计算寿命7 000 627 h。各项条件均满足所选轴承应用要求，故轴承(22315)完全达到使用条件，可用。

3)托轮轴的设计

托轮轴设计为固定心轴，不转动、不传递扭矩，仅起支撑作用，只承受弯矩。

设计条件：

根据轴承尺寸，轴的设计尺寸：轴最大直径75 mm，最小直径70 mm，轴总长240 mm。

轴所承受的最大载荷(即托轮承受的重量)：36 750 N，45#钢的许用应力353 MPa。

轴传递的功率：15 kW，轴的最大转速10 r/min。

根据抗弯扭强度推算轴的最小直径为：Dmin=58.76 mm，考虑轴上轴承的尺寸，圆整后取D=70 mm。

强度校核可省略。

2.3.2 托轮座

托轮座设计为马鞍式，采用铸铁材料。

托轮座用来固定支撑托轮轴。托轮座底部承载面开设有燕尾槽，通过燕尾槽安装在导轨凸台上，托轮可通过托轮座在导轨上在调整机构作用下平移，通过调整两托轮中心距来实现转鼓轴心线安装初始位置不变，提高转鼓工作精度(如图3)。

图3 托轮座示意图(三视图)

2.3.3 导轨

导轨设计为带有中间凸台的平板，碳钢材料，刨削加工而成。用于安装支撑托轮座(如图4)。

图4 导轨示意图(三视图)

2.3.4 调整机构

调整机构设计为丝杠螺母副结构，碳钢或不锈钢制成，用螺栓紧固在导轨上。两托轮座在丝杠螺母副调整装置的作用下推动两托轮平移，改变两托轮中心距的大小，实现转鼓回转轴线初始安装位置不变(如图5)。

图5 调整机构示意图(三视图)

图6 托轮机构总装示意图(三视图)

3 改造效果及经济效益概算

根据实际操作参数为基本条件，对改造后拟达到的效果作如下预测分析：

滤碱机转鼓改用托轮支承机构后，转鼓与托轮三者轴心线构成稳定的等腰三角形，三者外圆相切，形成线接触高副机构，相对运动方式由原来的滑动摩擦副(低副)机构变为纯滚动摩擦副(高副)机构。一般情况下。滚动摩擦阻力约为滑动摩擦阻力的1/40～1/60,可大大减少转鼓转动产生的摩擦阻力。电机、减速机负载将得到明显降低，进而减少动力设备的故障，减少维修成本和劳动力的付出。电机输出功率和电流相应下降，达到节能效果，提升设备机械性能和使用寿命。

本设计方案只是对机械运动的摩擦形式发生改变，对设备的工作原理、生产工艺等方面没有任何不良影响。

滤碱机滑动轴瓦拆除后，原轴瓦润滑脂自动间歇注油机构可一并拆除，减少了润滑脂的消耗，减少设备油污污染，清洁生产。

从经济方面来看，轴瓦平均寿命为1～3年，根据运行十几年来的维修情况，平均一对轴瓦大都在1年左右就开始磨损，更换一对轴瓦(主要是下轴瓦)制造成本3.6万元，加上三年内，对减速机、电机的维修、购置成本，人工费用等一台滤碱机三年内维修费用粗略统计约需18万元，平均每年约6万元左右。

而经过改造后，以三年为一次大修周期预计，托轮及轴承(更换四套)制造成本约计4.8万元，改造施工费约需2万元，一次性投入共约6.8万元，减速机、电机由于使用了质量较好、性能更加优越的进口设备，故障率极低，发生的维护保养成本约需6万元，总的维修费用在一个大修周期可控制在12.8万元左右，每年约需4.3万元。相比较而言，通过改造，设备维护费用降低明显。同时由此带来的其它比如节能、环保等效益不可估量。