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反應釜攪拌軸非正常情況發(fā)生斷裂損壞原因分析

2018-03-28

王麗　宋新軍　吳涵

（威?；C械有限公司）

　　摘　要：反應釜攪拌裝置在設計時，需要對攪拌軸進行強度計算、扭轉變形校核、臨界轉速校核，在這一系列的計算條件下，我們才能設計出一個滿足要求的攪拌軸。但是在實際使用中卻發(fā)現(xiàn)，在滿足設計計算的攪拌軸也會發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。本文通過一些案例，對出現(xiàn)這種問題的攪拌軸進行分析，提出將來在設計中需要考慮的問題，從而避免這些問題的產生。
　　關鍵詞：反應釜；攪拌軸；斷裂；疲勞

　　1　前言
　　攪拌軸是攪拌反應釜中的核心部件，驅動電機的動力通過攪拌軸傳導到攪拌葉片上，實現(xiàn)攪拌反應釜對物料進行攪拌、反應的功能。然而在實際使用情況中發(fā)現(xiàn)，滿足設計計算及校核的攪拌軸也會經常出現(xiàn)異常損壞的情況。
　　2　問題分析
　　我以工作中遇到的攪拌軸斷裂的實例進行分析，具體如下：

　　我公司為某化工企業(yè)研制的20立方聚氨酯設備，需要通過攪拌器使釜體內部的氣體達到有效的分散濃度，同時要使釜體催化劑能都達到有效懸浮，同時必須兼?zhèn)浠旌戏磻淖饔茫渲衂關鍵地是要達到氣體的二次利用。因此，我們選擇了自吸式攪拌器的組合，攪拌軸采用單跨軸結構，底部支撐采用滑動軸套。具體參數(shù)如表1所示，結構圖如圖1所示。

　　此設備在使用半年后，出現(xiàn)攪拌軸斷裂的現(xiàn)象。在攪拌軸斷裂后我們進行了仔細的分析，對攪拌軸的直徑進行了強度校核計算，因為是自吸式攪拌器形式，采用在空心軸上開孔進行氣液交互的結構。我們在計算時，考慮了軸上開孔對軸強度削弱的問題，所以適當提高了安全系數(shù)所以，在理論計算上是滿足設計要求并具有一定的強度裕度的。但是在實際使用中出現(xiàn)攪拌軸連續(xù)斷裂4臺的情況。后經過分析，我們發(fā)現(xiàn)攪拌軸斷裂的部位正好在自吸式攪拌器處進氣孔部位，如圖2所示。

　　3　分析結論
　　通過計算與分析，我們排除掉軸的強度不足以及材料的問題。Z終我們發(fā)現(xiàn)，攪拌軸的斷裂是由疲勞斷裂引起的。因為攪拌軸上下端都安裝有底部軸承，上軸承為滾動軸承，下軸承為滑動摩擦，為典型的簡支梁結構，工作時，攪拌轉速為260rpm，加上設備攪拌軸比較長，攪拌軸上下同軸度有一定的偏差，在軸上安裝自吸式攪拌器的地方開了通氣孔，由圖中可以看出此處比較薄弱，容易產生應力集中，而軸在工作過程中，主要受到扭矩影響，由于攪拌軸同軸度存在一定的偏差，所以軸在高速工作過程中軸也會受到彎矩的影響，而彎矩產生的彎曲應力是交變應力，當軸受到的轉矩大小及方向恒定不變時，那么扭矩產生的扭轉切應力的循環(huán)特征為靜應力，由于在氣孔處特殊的結構產生應力集中，使此處的應力可能高于材料的許用應力，當零件所受應力高于疲勞極限時，每一次載荷循環(huán)都對零件造成一定量的損傷，并且這種損傷是可以積累的；當損傷積累到臨界值時，零件將發(fā)生疲勞破壞。根據(jù)線性疲勞損傷積累理論中應用比較多的帕姆格倫一邁因納定理，總損傷是每一次疲勞損傷的線性累加，而軸的疲勞斷裂會經歷幾個過程，首先是疲勞裂紋的萌生，然后是亞臨界