PTA重型離心機的修復及改進

陳正滿，翟英明，胡麗莉，陳本權，鄧香中

（遼化機械廠，遼寧遼陽111003）

    摘要：某PTA裝置重型離心機在經過多年的使用后，存在處理能力嚴重下降、振動噪聲大及運行周期短等制約裝置平穩運行的問題。通過對磨損表面的激光焊接以及密封套的表面金屬陶瓷強化，并對局部結構做了改進，采用SolidWorks建模、ANSYS應力分析，從理論上分析出設計的不足環節，有效地保證了修復方案的合理性。

    關鍵詞：重型離心機；處理能力；振動及噪聲；激光焊接；表面強化；改進

    中圖分類號：TQ051.84文獻標識碼：A文章編號：1002－2333（2010）05－0000－03

    1·引言

    PTA（PureTerephthalicAcid，PTA）即精對苯二甲酸，在常溫下是白色粉狀晶體,無毒、易燃，若與空氣混合，在一定限度內遇火即燃燒，是重要的大宗有機原料之一。臥式螺旋卸料沉降離心機是利用離心沉降原理分離懸浮液的設備，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、濃縮等工藝過程［1］。PTA裝置離心機是PTA漿液提純和脫水的關鍵設備，而臥式螺旋卸料沉降離心機是目前PTA裝置最為普遍采用的設備［2］。中國石油烏魯木齊石化公司化纖廠PTA裝置所使用的4臺重型臥式螺旋卸料沉降離心機（裝置位號為：M1-1411A/B、M1-1421A/B），是英國Broadband公司1990年代生產的。經過多年的使用，其處理能力和使用性能明顯下降，需要通過大修及改進，恢復設備的原有能力。

    2·設備修復前的設備基本情況

    設備的基本參數見表1。

    設備存在的主要問題如下：

    （1）轉鼓的進出料端半軸：配合表面嚴重磨損及刮傷，法蘭根部出現明顯裂紋，法蘭與軸線的垂直度超差；（2）轉鼓直段與錐段：內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（內轉子）：葉片外廓磨損刮傷嚴重，葉片局部扭曲變形；（4）密封軸套：密封表面磨蝕嚴重；（5）內部軸承箱：軸承配合面磨損等。由于存在上述一系列問題，綜合導致這4臺設備在運行中振動嚴重、處理能力急劇下降、運行周期短等。

    3·設備的修復方案制訂

    （1）轉鼓半軸法蘭根部的裂紋：對于3件尚未產生貫穿性裂紋，法蘭扭轉不太嚴重的進料端轉鼓半軸，用機械方法清除裂紋后，用鎢極氬弧焊進行補焊。焊接中嚴格控制線能量，并且在半軸內采用水冷等措施防止變形。焊后將表面修磨光整，最后對法蘭外緣的配合直口重新進行加工，恢復其原始的形位精度。對于產生貫穿性裂紋，法蘭扭轉嚴重，無法修復的一件半軸，采用鍛焊結構重新制造新的備件。

    （2）半軸上各配合表面：采用激光熔敷鎳合金，焊補后進行機械加工。

    （3）螺旋卸料器（內轉子）：對變形的葉片進行校正，采用氬弧焊對葉片外廓進行堆焊，然后進行機械加工，達到葉片的理論外廓和葉片刃口要求。

    （4）轉鼓（直段與錐段）：用磨削等機械方法將筋條拆下，將轉鼓內表面修磨光整后，用塞焊上新的筋條，用激光焊接修補兩端配合直口，然后上機床進行機械加工。

    （5）密封軸套：將密封表面進行修磨，然后進行金屬陶瓷強化，強化后表面磨削加工。

    （6）內部軸承箱：所有配合表面用氬弧焊進行堆焊，熱處理后重新進行機械加工。

    （7）動平衡試驗要求：各主要零部件加工后進行動平衡試驗（G2.5），轉子總成裝配后進行整體動平衡試驗（G6.3）［6］。

    4·修復過程中的幾個要點

    （1）加工基準的選擇：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。

    （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頭或重復裝夾問題，保證重復裝夾精度是保證加工精度的關鍵環節。細長空芯零件，采用鑲裝芯軸，所有的加工都以中心孔為基準，保證了重復裝夾的基準統一和精度要求。

    （3）控制加工中的裝夾變形：轉鼓屬于薄壁零件，為避免加工過程中徑向裝夾力太大，造成零件變形，此類大型零件適宜在立車上利用胎具裝夾，能夠避免裝夾變形，保證裝夾精度。

    5·修復過程中的改進措施

    5.1轉鼓半軸法蘭根部開裂和扭轉變形  

    （1）失效原因理論分析 4·臺設備均出現了同樣的失效問題，盡管設備使用年限較久，但也說明設備在強度設計上存在嚴重的不足。為找出薄弱環節，采用大型有限元分析軟件ANSYS對半軸的應力強度進行分析計算［3］。單元的劃分見圖1。

    為更精確計算應力集中部位的應力情況，對法蘭根部的單元進行了更精細的規劃［4］，見圖2。

    有限元分析結果如圖3~圖4所示。圖3為外轉鼓模型在離心力作用下的應力強度分布云圖。圖4為供料端轉子半軸應力集中處局部應力強度分布云圖。

    由圖4的分析可以看出，應力強度最高處是在應力集中的右側圓角處。原來的進口4臺離心機就是在這個位置出現了裂紋，長期使用后法蘭出現相對于軸線的扭轉，都應和此處的應力集中有直接關聯，所以只要適當提高此處的強度，斷裂和變形的問題就會從根本上得到解決。

    （2）提高強度的有效措施單純增加結構的尺寸通常不能明顯改善應力集中敏感度，解決應力集中最有效的方法就是減小結構的突變。鑒于結構允許及材料理論力學原理可以推測，適當加大法蘭根部的圓角半徑能夠降低應力集中的敏感度［5］。對這一設想進一步通過有限元分析加以驗證。現在主要考慮兩個幾何尺寸參數：供料端轉鼓半軸的法蘭厚度L以及芯軸與法蘭連接處的圓弧半徑R（圖5），分析二者的改變對應力集中處的應力強度的影響。分析計算結果見表2。通過表2可以得出結論，增加法蘭根部厚度對降低應力集中不明顯，而增大法蘭根部圓角才是降低應力集中敏感度的有效措施，也是最容易實現最經濟的改進方案。在組合計算中，法蘭根部圓角從R15增加到R25，應力集中強度可以降低25%~30%。

                      圖5供料端轉鼓半軸局部位置結構示意圖

    5.2內部軸承頻繁失效

    通過對4臺離心機的使用情況進行調研得知，設備失效大多由于進料端的軸承首先失效導致的。物料進入內部軸承箱污染潤滑脂是導致軸承失效的直接原因，而物料的侵入又多是內側密封損壞，失去保護作用造成的。物料直接噴濺、密封軸套的密封表面磨蝕是導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題的主要途徑。經過研究，采用了金屬陶瓷對摩擦表面進行強化，提高軸套的耐磨蝕性能。另外，在不改變裝配形式，在密封外側設計安裝一個拋料環，阻擋物料直接噴濺內側密封。兩個聯合改進措施，達到了延長密封的壽命、提高設備運行周期的目的。

    6·結語

    借助ANSYS有限元分析軟件對設備進行應力分析，找出了設備使用中容易變形的主要原因，通過激光熔敷修復了受損的零件，通過金屬陶瓷強化和拋料環保護等手段提高了密封的運行壽命，使離心機的性能恢復到了設備進口初期的水平。

    ［參考文獻］

    ［1］孫啟才.離心機原理結構與設計計算［M］.北京：機械工業出版，1983.

    ［2］高慎琴，潘永密.化工機器［M］.北京：化學工業出版社，1992.

    ［3］JB/T 8051-1996，離心機轉鼓強度計算規范［S］.

    ［4］馮立成，周密，易澤明.離心機復雜轉鼓的有限元優化設計［J］.機械強度，2002，24（2）：295-297.

    ［5］劉鴻文.材料力學［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技術條件［S］.（編輯黃荻）

    作者簡介：陳正滿（1964-），男，工學碩士，高級工程師，從事機械設計與制造方面的工作。