反应釜搅拌轴非正常情况发生断裂损坏原因分析

王丽　宋新军　吴涵

摘要：反应釜搅拌装置在设计时，需要对搅拌轴进行强度计算、扭转变形校核、临界转速校核，在这一系列的计算条件下，我们才能设计出一个满足要求的搅拌轴。但是在实际使用中却发现，在满足设计计算的搅拌轴也会发生断裂的现象。本文通过一些案例，对出现这种问题的搅拌轴进行分析，提出将来在设计中需要考虑的问题，从而避免这些问题的产生。

关键词：反应釜；搅拌轴；断裂；疲劳

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.176

1前言

搅拌轴是搅拌反应釜中的核心部件，驱动电机的动力通过搅拌轴传导到搅拌叶片上，实现搅拌反应釜对物料进行搅拌、反应的功能。然而在实际使用情况中发现，满足设计计算及校核的搅拌轴也会经常出现异常损坏的情况。

2问题分析

我以工作中遇到的搅拌轴断裂的实例进行分析，具体如下：

我公司为某化工企业研制的20立方聚氨酯设备，需要通过搅拌器使釜体内部的气体达到有效的分散浓度，同时要使釜体催化剂能都达到有效悬浮，同时必须兼备混合反应的作用，其中最关键地是要达到气体的二次利用。因此，我们选择了自吸式搅拌器的组合，搅拌轴采用单跨轴结构，底部支撑采用滑动轴套。具体参数如表1所示，结构图如图1所示。

此设备在使用半年后，出现搅拌轴断裂的现象。在搅拌轴断裂后我们进行了仔细的分析，对搅拌轴的直径进行了强度校核计算，因为是自吸式搅拌器形式，采用在空心轴上开孔进行气液交互的结构。我们在计算时，考虑了轴上开孔对轴强度削弱的问题，所以适当提高了安全系数所以，在理论计算上是满足设计要求并具有一定的强度裕度的。但是在实际使用中出现搅拌轴连续断裂4台的情况。后经过分析，我们发现搅拌轴断裂的部位正好在自吸式搅拌器处进气孔部位，如图2所示。

3分析结论

通过计算与分析，我们排除掉轴的强度不足以及材料的问题。最终我们发现，搅拌轴的断裂是由疲劳断裂引起的。因为搅拌轴上下端都安装有底部轴承，上轴承为滚动轴承，下轴承为滑动摩擦，为典型的简支梁结构，工作时，搅拌转速为260rpm，加上设备搅拌轴比较长，搅拌轴上下同轴度有一定的偏差，在轴上安装自吸式搅拌器的地方开了通气孔，由图中可以看出此处比较薄弱，容易产生应力集中，而轴在工作过程中，主要受到扭矩影响，由于搅拌轴同轴度存在一定的偏差，所以轴在高速工作过程中轴也会受到弯矩的影响，而弯矩产生的弯曲应力是交变应力，当轴受到的转矩大小及方向恒定不变时，那么扭矩产生的扭转切应力的循环特征为静应力，由于在气孔处特殊的结构产生应力集中，使此处的应力可能高于材料的许用应力，当零件所受应力高于疲劳极限时，每一次载荷循环都对零件造成一定量的损伤，并且这种损伤是可以积累的；当损伤积累到临界值时，零件将发生疲劳破坏。根据线性疲劳损伤积累理论中应用比较多的帕姆格伦一迈因纳定理，总损伤是每一次疲劳损伤的线性累加，而轴的疲劳断裂会经历几个过程，首先是疲劳裂纹的萌生，然后是亚临界擴展，最后发生失稳扩展，所以在机器运转半年后，疲劳裂纹逐渐的萌生、扩展，在没有明显的塑性变形和其他明显征兆的情况出现了轴应力集中处的疲劳断裂，而且在同一段时间内同时出现4台搅拌器断裂，所以这样可看出是由于疲劳损伤积累造成搅拌轴在应力薄弱点疲劳断裂。

4预防措施

为避免在将来的设计中反应釜搅拌轴发生断裂损坏的问题，一是需要考虑设计过程中的严谨性，在设计允许的情况下合理选择较大的安全系数；二是提前对搅拌轴是否会有疲劳断裂的风险进行预判，通过更换不同的加工工艺来改善材料的疲劳性能，再加上对实际操作过程中情况的分析与试验，进行经验技术积累，从而尽最大可能性避免此类非正常情况下的搅拌轴断裂风险。除此之外，对搅拌器进行定期日常维护是必要的，一需检查固定螺栓是否松动，从而防止搅拌器摆动量增大，引起反应釜剧烈震动；二需桨叶的固定和搅拌轴保持垂直，其垂直度的偏差应保持在0.4%以内；三需定期检查搅拌器的腐蚀情况，有无松脱、变形和裂纹等缺陷。