挤压机减速箱低速轴定位螺栓断裂原因分析与改造

2018-06-28张成瑞葛柯柯李军李科录盛海涛谢佳

中国设备工程 2018年12期

张成瑞，葛柯柯，李军，李科录，盛海涛，谢佳

（新疆天利石化控股有限公司，新疆独山子 833699）

某异戊橡胶厂2台进口挤压机减速机低速轴尾部定位螺栓（材料牌号35CrMO，性能等级8.8，螺栓型式3/4＂×10×2-1/2＂孔用螺栓）在运行过程中曾频繁（使用不到15天）发生断裂，导致挤压机窜轴，螺套及剪切板磨损，设备停机，险些发生事故。以下对定位螺栓断裂原因进行分析，通过制定改进措施，改造效果显著。

1 设备结构及工作工况

图1 设备装配示意图

挤压机用于脱除橡胶中的游离水，低速轴与挤压机螺杆相连，低速轴依靠两列背靠背的单列圆锥滚子轴承安装在减速箱上，运行中低速轴承受拉应力，该螺栓通过定位压板将低速轴固定于推力轴承上，安装结构如图1所示。

2 改进方案及分析

2.1 第一次改进

原设备采用性能等级为8.8的高强螺栓，在使用过程中6个螺栓全部断裂，根据螺栓断裂原因分析结果，认为螺栓的强度不够，于是重新购买强度为10.9的高强螺栓。螺栓安装后，运行不到1周，停机检查仍发现3个螺栓断裂。

对断裂螺栓从断口形貌、材质、强度等方面进行分析试验：螺栓材质确认为35CrMO，经试验强度大于10.9，并查阅同批次螺栓厂家合格证，符合螺栓标准要求，螺栓质量没有问题。同时，从螺栓断口上看，断面无明显缩颈、拉伸现象以及颜色变化，判断强度不足不是螺栓断裂的根本原因。断口照片如图2所示。

图2 螺栓断口照片

2.2 第二次改进及分析

通过第一次改进失败及螺栓检测，证明螺栓断裂绝非螺栓质量和选型问题，需要从降低螺栓受力方面进行分析和改进。通过对定位压板及螺栓的结构和尺寸、螺栓断面分析，螺栓断裂原因为定位压板对螺栓产生剪切力，导致螺栓被剪切冲击断裂。

因橡胶特性及工艺原因，挤压机负荷不稳定，导致定位压板受到周期性轴向冲击力，定位压板与轴端面间的垫片被磨损挤压变形、减薄，定位压板和螺栓松动；同时通过对比测量定位板与螺栓尺寸，发现定位板上螺栓孔直径（22mm）比螺栓外径（19.05mm）大3mm，因间隙比较大，松动的压板随轴转动中对螺栓产生了径向剪切力，从而致使螺栓断裂。因此，避免定位板松动、消减定位板对螺栓的剪切力是防止螺栓断裂的根本。

通过对比干燥机减速箱主轴的定位结构，我们提出了在低速轴上加工大螺纹孔使用大螺栓（方案一如图3所示）、大螺母（方案二如图4所示）的结构型式，考虑到会改变轴的结构型式、受力及加工难度未曾实施。

图3 大螺栓的固定方式（方案一）

图4 大螺母的固定方式（方案二）

为不改变低速轴结构，避免出现新的缺陷，在定位压板上设计直径φ36mm凸台，同时在轴头上加工凹孔，使定位压板凸台与凹孔配合安装，克服定位压板的径向移动；同时减小压板上的螺栓孔直径至φ20.8mm，定做定位螺栓为非全螺纹型式，与压板配合的螺栓光杆部位直径为φ20mm，减小螺栓与压板上螺栓孔之间的间隙至0.8mm，克服了压板的圆周运动，从而解决了定位压板因径向或周向运动时对定位螺栓产生的剪切力（方案三见图5）。

图5 改进后的定位压板及螺栓装配图（方案三）

为解决定位压板及螺栓的松动问题，查询设备随机资料及单列圆锥滚子轴承的游隙调整规范，通过游隙调整垫片厚度的选用，将低速轴的轴向间隙调整至0.025～0.1mm，既保证了轴承游隙，又确保了定位压板与轴头的紧固合一，解决了定位压板的松动问题。

同时对螺栓头进行了改进，在单头螺栓六角头上钻φ2.2mm的孔，当6个固定螺栓紧固后用φ1mm铁丝将6个螺栓连为一体，加上弹簧垫片的作用进一步解决了螺栓的松动问题。

2.3 效果验证

更换完新的定位压板、定位螺栓、调整间隙垫片，重新安装低速轴轴承，将螺栓紧固后穿铁丝防松，运行一周后检查螺栓无松动，通过渗透探伤未发现缺陷，继续使用；运行15天后停机检查无异常；后每运行30天后定期停机检查定位螺栓和定位压板无异常，每运行90天后更换调整垫片和螺栓。目前已将更换周期延长至5个月。近1年的运行中该螺栓未再发生过断裂问题，彻底解决了挤压机运行的瓶颈问题，为橡胶装置的整体连续运行提供了保证。

3 结语

因设备实际工况与设计工况存在偏差，尤其是进口设备，技术精准，设备操作弹性较小，一旦出现偏差大的情况，将导致设备故障频发，甚至无法正常运转。因此在设备购置技术协议签订过程中，向厂家提设备参数和运行工况时，一定要准确全面。有条件的单位，最好实地考察厂家现役设备，摸清运行情况后，再做购买决定。在设备运行过程中，针对出现的故障，从功能、结构上进行分析，参照相关设备结构进行改造，能有效降低改造风险、缩短改造时间。