某化工廠PTA單套裝置以前生產(chǎn)規(guī)模一般為25萬t/y，現(xiàn)將規(guī)模擴(kuò)大，將單套裝置的生產(chǎn)規(guī)模提高到40萬t/y。由于沒有準(zhǔn)確預(yù)計(jì)螺旋輸送機(jī)的生產(chǎn)能力，也沒進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑�，結(jié)果在使用3個(gè)月后，螺旋輸送機(jī)主軸突然發(fā)生斷裂，造成停產(chǎn)事故。
1、主軸斷裂的原因分析
現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)螺旋軸采用中空厚壁管，外部焊上螺旋狀的葉片。螺旋軸長(zhǎng)10,3 m，加上2支承端間距近11m，且在軸中間沒有吊掛支撐裝置，根據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)僅自重（包括物料重量）引起的撓度就達(dá)6—7 nun，加上制造時(shí)的直線度誤差，使得螺旋軸在不斷旋轉(zhuǎn)中，撓曲度越來越大。根據(jù)受力分析，此時(shí)中空軸的上表面受壓，下表面受拉，且這種受力狀態(tài)是交替變化的。由于材質(zhì)、加工（特別是焊接）的原因，中空軸外表面容易存在細(xì)小的缺陷（例如材質(zhì)本身的缺陷、因焊接而產(chǎn)生的表面裂紋），在交變應(yīng)力的作用下，裂紋擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至一定程度而導(dǎo)致中空軸的有效截面積不足以承受所傳遞的扭矩時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生剪切斷裂。現(xiàn)場(chǎng)螺旋軸斷口截面部分呈大約450斜面，是典型的剪切斷裂，軸的斷裂截面如圖1所示。
2、主軸的結(jié)構(gòu)改造
為了減少由于主軸過長(zhǎng)而造成的撓度較大的現(xiàn)象，將1臺(tái)約11 m長(zhǎng)的螺旋輸送機(jī)變成2個(gè)串聯(lián)的約6m的螺旋輸送機(jī)。螺旋軸選用整鍛厚壁管，不允許拼接，兩端都采用實(shí)心軸加強(qiáng)。螺旋中空軸及兩端實(shí)心軸的材質(zhì)采用進(jìn)口316L，不銹鋼鍛件應(yīng)符合jB4728-1994不銹鋼鍛件技術(shù)條件的規(guī)定。為了減小物料與主軸、螺旋葉片、外殼之間的摩擦力，規(guī)定螺旋軸及葉片的外表面需打磨拋光，其粗糙度不低于5um，同時(shí)殼體內(nèi)部打磨拋光，其粗糙度也不低于5um。軸承均采用進(jìn)口雙列調(diào)心滾柱軸承，并帶有內(nèi)錐套以便于安裝；輸送機(jī)殼體在工作溫度下具有一定的熱膨脹量，因此其支座一端固定，其余均設(shè)計(jì)成可滑動(dòng)型式。改造后的主軸結(jié)構(gòu)和螺旋輸送機(jī)現(xiàn)場(chǎng)布置見圖2和圖3。
3、主軸有限元分析及評(píng)定
為了分析改造后的螺旋軸受力及疲勞應(yīng)力情況，采用ANSYS分析軟件進(jìn)行了分析。改造后螺旋軸建模分別如圖4和圖5所示。
3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算條件
分析采用的計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為：材料316 L，軸扭矩384.5 kgm，轉(zhuǎn)速38 r/min，重力加速度9.8m/s2，材料密度7.85×10-6 kg／mm3，彈性模量1.95×l03MPa，螺旋螺距為600 mm。
3.2有限元模型的建立及分析
根據(jù)結(jié)構(gòu)特性和載荷特性，在有限元模型構(gòu)建中，取整體結(jié)構(gòu)在相適應(yīng)的邊界條件下進(jìn)行分析。
3.2.1位移邊界條件
螺旋軸組件一端內(nèi)軸承側(cè)中心產(chǎn)生質(zhì)量單元，與該截面45號(hào)單元節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生剛性面。該質(zhì)量單元節(jié)點(diǎn)上，△X △Y AZ =O（總體笛卡爾坐標(biāo)系），繞Z、X轉(zhuǎn)角為0；螺旋軸組件另一端內(nèi)軸承側(cè)中心產(chǎn)生質(zhì)量單元，與該裁面45號(hào)單元節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生剛性面。該質(zhì)量單元節(jié)點(diǎn)上，AX△Y=O（總體笛卡爾坐標(biāo)系），繞J轉(zhuǎn)角為0。
3,2.2有限單元選擇
結(jié)構(gòu)分析采用ANSYS軟件中的8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元( SOLID185)，輔助邊界條件施加采用質(zhì)量單元( MASS21)。
3.2.3力的邊界條件
螺旋軸組件另一端內(nèi)軸承側(cè)質(zhì)量單元節(jié)點(diǎn)上，軸扭矩384.5 kgm，整體繞Z軸轉(zhuǎn)速38 r/min，y向重力加速度9.8m/s2，模型分析結(jié)果如圖6所不。
3.3結(jié)果評(píng)定
表面軸向應(yīng)力最大值為7.773 MPa，位于軸向中間下表面位置，查得材料許用值為118 MPa，評(píng)定通過。
4、螺旋輸送機(jī)的制造及驗(yàn)收
4.1制造加工要求
針對(duì)殼體及螺旋軸2大主要部件分別規(guī)定：殼體經(jīng)下料、成形、對(duì)接后，其直線度要求為0.6‰；作為兩端軸承座定位的殼體兩端端板內(nèi)孔采用專用工裝組對(duì)焊接，以保證兩端板內(nèi)孔的同軸度以及端板平面與軸線的垂直度。螺旋軸中空管在加工前矯直，直線度不超過0.3‰。螺旋軸中空管與軸頭加工后熱鑲，再以鉸制孔銷釘固定，端頭焊接。這樣，軸頭通過3種形式與中空軸連接：(1)焊接；(2)過盈配合；(3)3組共12個(gè)∮20 mm的銷釘以確保該部位不會(huì)出現(xiàn)連接失效。螺旋軸在焊接后必須消除應(yīng)力，然后整體加工，以保證2軸頭的同軸度。旋葉片在成形后需做到螺距的導(dǎo)程誤差不超過±5 mm，任意螺距的誤差為±10 mm。殼體由表面及螺旋軸、葉片的外表面打磨拋光處理，粗糙度≤1.6um。
4.2檢驗(yàn)
螺旋軸的厚壁管整體超聲波探傷，殼體所有焊縫著色探傷，厚壁管與葉片的焊縫著色探傷，螺旋葉片在對(duì)接前作焊接工藝評(píng)定，螺旋葉片對(duì)后著色探傷，殼體作水壓或氣密性試驗(yàn)。
5、結(jié)束語
該螺旋輸送機(jī)改造后使用1年多來生產(chǎn)非常穩(wěn)定，只需定期對(duì)填料、軸承進(jìn)行維護(hù)，從未出現(xiàn)過堵料、斷軸、鏈輪損壞、減速器損壞等現(xiàn)象，生產(chǎn)穩(wěn)定周期大大延長(zhǎng)，給企業(yè)帶來了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
