橡胶膨胀干燥机设备故障分析及对策

孟 明，白 亮，孟 阗

（1.北京化工大学 机电工程学院，北京 102425；2.中国石化工程建设公司，北京 100101；3.北京毕派克项目有限公司，北京 100101）

膨胀干燥机是顺丁橡胶（BR）及丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）生产的主要设备[1-2]。膨胀干燥机将含水率为8%～12%的BR或SBS颗粒通过螺杆的挤压、摩擦生热、剪切破碎及膨胀和闪蒸作用，将含水率降到1%以下，是橡胶后处理干燥生产的主要设备。进口和国产橡胶膨胀干燥机都存在进料口不吃料、螺杆轴断裂、螺套和衬套磨损及筒体裂纹等问题，本文分析设备故障原因，并提出相应解决对策[3-9]。

1 筒体结构改进

膨胀干燥机筒体主要由蒸汽通道结构、剪切螺钉座、夹套、耐磨衬板、连接法兰和蒸汽进出口接管等部件组焊而成，使用过程中筒体内漏是筒体报废的主要原因。

1.1 筒体结构分析及优选

目前，筒体结构主要有以下4种方案。

（1）不锈钢圆筒外用4根35#方钢组焊后，再用4块圆弧板组成蒸汽通道结构。该蒸汽通道结构造价低，剪切螺钉与35#方钢不容易发生粘连，但是由于两种材料的线热膨胀系数不同，使用一段时间后，温差应力会使焊口出现裂纹，造成蒸汽内漏到筒体内，导致挥发分超标，筒体报废。

（2）选用厚壁不锈钢钢管，沿轴向切削留出方钢后的凹槽，再用不锈钢圆弧板组焊出蒸汽通道结构。同材质组焊，没有焊口裂纹造成蒸汽内漏问题，但造价偏高，且剪切螺孔因材质较软而容易损坏。

（3）选用加方钢等后的不锈钢钢管，按照剪切螺钉之间的位置切环形槽，再用圆弧板组焊出蒸汽通道结构。同材质组焊，因环形焊缝多，如果没有进行焊后消除应力的热处理，使用一段时间后筒体会出现裂纹而报废。

（4）在不锈钢内圆筒上按照剪切螺钉的位置开孔，将剪切螺钉的不锈钢圆座焊接在内圆筒上，再将两个半圆形夹套板焊上，组成蒸汽夹套，也是一个不错的选择。

综合分析，选择方案（2）和（4）比较可行。

1.2 耐磨衬套改进

筒体内的耐磨衬套内径与螺杆外径的间隙为3 mm，材料选用不锈钢内堆焊3 mm的耐磨层，耐磨衬套长度为筒体总长度的1/4。衬套内均匀分布24个深7 mm、宽16 mm的槽，槽的端点要一直通到进料斗的漏水板处。槽以正下方的中心线为基准，圆周均匀分布。开深、宽槽主要是防止胶料与螺杆同转，使胶料如同螺母一样，随螺杆转动被推向机头。开槽可使胶料塞入沟槽内，如同滑动轴承用油膜托起转子，同理，用胶料托起螺杆，减少螺杆与衬套的磨损。开槽可增大胶料与衬套的摩擦热和摩擦阻力，减小夹套蒸汽用量。开槽还有利于一部分被挤压出来的水从槽内回流到进料斗处，从漏水板的孔或缝隙中漏出。

2 螺杆组合优化

螺杆是机组的关键部件，在生产过程中出现螺杆轴断裂、螺套磨损和生产能力不足等问题，分析原因并提出解决对策。

2.1 整体螺杆材料的特点与问题

从加工角度看，膨胀干燥机采用整体螺杆是可以的，主要是材料选择，38CrMoAlA钢的抗拉强度不低于980 MPa，且价格低；SUS316不锈钢的抗拉强度不低于440 MPa，强度不到38CrMoAlA钢的一半。采用SUS316不锈钢整体加工的螺杆耐腐蚀，橡胶不会变颜色，但SUS316不锈钢螺杆扭转强度不够，容易被扭断。SUS316不锈钢按螺套根部直径172 mm计，扭转强度也没有Φ130 mm的38CrMoAlA钢高。

38CrMoAlA钢加工后渗氮处理，整体刚度大，如果能够控制橡胶中水分的pH值不小于7，则不会出现橡胶变色问题。当橡胶中水分的pH值小于6.5时，渗氮层被磨掉后，橡胶会呈现灰色或砖红色。要控制橡胶中水分的pH值不小于7，除了在凝聚釜中加碱以外，还要控制聚合釜硼催化剂加入位置，催化剂进釜后，釜内搅拌器能将其刮掉，立即分散到胶液中，不能在催化剂进口处停留。胶液表面的酸性物质可以在凝聚釜内被水洗掉，胶液内的酸性物质在膨胀干燥机内被螺杆挤压、破碎、汽化后，对设备有腐蚀作用，影响橡胶的颜色。

2.2 部分整体螺杆与不锈钢螺套的组合

由于螺杆轴的断裂都在直径从250 mm变到130 mm处，且38CrMoAlA钢整体螺杆有使橡胶变色的问题，因此可以选用2/3的螺旋元件是整体螺杆，出料端1/3的螺旋元件采用不锈钢螺套的方法，提高螺杆整体强度和解决橡胶变色问题。

2.3 螺杆轴与螺套组合

螺杆轴与螺套组合是目前国内外普遍采用的结构。它由38CrMoAlA钢螺杆轴与若干节SUS316不锈钢螺套按照各节不同的螺距加工组合而成。螺套前螺旋面与轴心夹角呈90°，后螺旋面与轴心夹角呈105°，前、后螺旋面与根部采用半径为20 mm的圆弧过渡，消除螺槽内的胶料流动死角。螺旋面全部采用机加工成型，顶部堆焊耐磨合金后再次精加工，堆焊HRC硬度为62～64度，表面抛光处理，螺套像穿糖葫芦一样串在一起组合成螺杆。需要解决的是螺杆轴断裂问题。

按螺杆轴扭转强度、扭转剪应力和温差拉应力分别进行计算，分析螺杆轴断裂原因。

（1）按扭转强度计算螺杆轴最细处直径（d）：

d＝17.2（T/τp）1/3＝122.4～142.3（mm）

T＝9 550P/n＝19 804（N·m）

式中：T为扭矩；τp为许用扭转剪应力，按《机械设计手册》中几种常用轴材料选取，τp＝35～55 MPa；P为电机功率，取值为450 kW；n为螺杆转速，取值为217 r·min-1。

串螺套的轴直径为130 mm、τp大于46 MPa，才可满足使用要求。

（2）按扭转剪应力计算d。螺杆轴主要起传递动力作用，即主要承受扭矩。实心轴的截面系数（W）和扭转剪应力（τ）分别为

W＝3.14d3/16＝431 161（mm3）

τ＝T/Wp＝45.95（MPa）

从上述计算结果看，轴径为130 mm即可以满足扭转强度和扭转剪应力的使用要求，断裂处也没有出现45°扭断的斜茬，证明螺杆轴不是被扭断的。

（3）按温差应力计算d。膨胀干燥机夹套的蒸汽温度为180～240 ℃，螺杆材料38CrMoAlA钢的线热膨胀系数（αL）为11.8 ℃-1，螺套材料SUS316不锈钢的αL为17 ℃-1，螺套长度为3 430 mm，SUS316不锈钢相对38CrMoAlA钢升温220 ℃后长度增大值（ΔL）为

ΔL＝ΔαLΔTL＝3.92（mm）

式中，L为轴总长，取值为3 430 mm。

当不锈钢螺套比轴伸长后，产生的温差应力根据材料力学的胡克定律公式计算：

ΔL＝NL/（EA）

N＝EAΔL/L＝3 032 343（N）

式中：N为轴拉力；E为弹性模量，取值为2×105MPa；A为截面积，即1302×0.785＝13 266.5（mm2）。

根据材料力学，轴的许用拉应力（σ）为

σ＝N/A＝229（MPa）＜[στ]

螺杆轴的疲劳极限[στ]按下式计算：

[στ]≈0.156（Rm＋Re）＝283（MPa）

式中，Rm和Re分别为抗拉强度和屈服强度。

为了解决螺杆轴断裂问题，有的公司曾经采用阶梯轴的方法，进料段处的轴径大于130 mm，可是在生产实际运行半年以上，还是出现了螺杆轴从Φ130 mm变径处断裂问题。从断裂结果分析，可能是线热膨胀系数差异产生的拉应力将轴拉断的。如果不是螺杆轴在锻造或热处理过程中存在裂纹，那就是螺杆在使用中螺套温度高于272 ℃后，就有可能由于温差应力大于疲劳极限，将轴拉断。从抽出的螺套表面看，螺套局部发蓝，螺套与衬套金属摩擦会产生高温，不锈钢在加热到500 ℃以上就会出现发蓝现象，这可以证明螺杆断裂是因为螺套摩擦生热温度高于272 ℃所致。

2.4 螺杆轴断裂问题对策

2.4.1 键连接问题分析

目前，螺杆轴与螺套都是采用单键连接，这会使轴的中心线发生偏移，当受到轴向力时，螺杆轴相当于偏心受压的圆柱，轴端向一边偏斜，使螺套与筒体内衬发生磨蹭，加速衬套内径和螺套外径的磨损。另外单键在加工和渗氮处理过程中也会因为截面不对称而发生弯曲变形。

如果采用对称双键，则中心线不变，可以防止加工、热处理过程中的变形，但是截面积减小，扭转承载能力降低，可能被扭断。

2.4.2 选用渐开线花键连接

由于渐开线花键较矩形花键有许多优点，如齿数多，齿端、齿根部厚，承载能力强，易自动定心及安装精度高。相同外形尺寸下渐开线花键小径大，有利于增大轴的刚度。

根据GB/T 3478.1—2008《圆柱直齿渐开线花键（米制模数 齿侧配合）》，渐开线花键的选用参数为INT/EXT28×5×30R×5H/5h。渐开线花键的齿数为28，模数为5，压力角为30°；轴的大径为145 mm，小径为132.5 mm。进料螺套长度的2/3处到Φ250 mm处不加工渐开线花键，保留光轴配合。

采用渐开线花键连接可以防止轴向偏心受力造成螺杆弯曲变形，减少衬套磨损。

2.4.3 螺杆轴与螺套配合处采用变直径阶梯轴

从进料螺套到轴端，螺杆轴与不锈钢螺套配合直径采用140，135，130 mm，其各占长度的1/3，变直径阶梯轴也是一个解决轴断裂的好对策。

3 螺套螺距及起始点和终止点缺口的改进

螺杆进料螺套的螺距与直径比由0.64增大到0.96，一、二段螺杆螺距也随之渐变，取消8个筒体上的剪切螺钉。螺杆螺纹组合如图1所示。该螺杆螺纹组合的特点如下。

图1 螺杆螺纹组合

（1）进料段螺距大，可以加速胶料推进，减少进料口处堵料，解决进料口处胶料抱螺杆一起旋转而不向前推进，即生产上所谓的不吃料问题。

（2）每节螺套的起始点和终止点都留有一个缺口，并且大部分缺口设在同一方位，目的是让橡胶中挤压出来的水沿缺口流回进料斗，从滤网漏出。由于缺口大部分都处于同一方位，造成螺杆中心偏移，轴向力会使螺杆弯曲，造成螺杆与衬套接触、磨损。另外，缺口处有一部分水回流，摩擦生热的水蒸气也可以沿缺口吹出，阻碍胶料进入。因此，取消原缺口，让挤压出来的水从衬套上加大的沟槽中回流，同时每节螺套起始点与终止点的方位错开，防止螺杆受轴向力偏移，减少螺套与衬套的接触、磨损，延长螺杆和衬套的使用寿命。

4 进料斗改进

对于进料斗不吃料问题，解决对策如下。

（1）进料斗下部的滤网结构既可以选用约翰逊网结构，也可以选用圆弧板（均匀分布若干Φ2 mm的小孔）。此网板应可拆卸，以便清理积胶。圆弧面与螺杆外径的间隙为5～8 mm，弧板上设凸条，以增大摩擦阻力。

（2）进料斗与筒体连接法兰处增加沟槽，沟槽与衬套的沟槽同深、同宽，沟槽可以阻止胶料抱轴共同旋转不进料。沟槽应与衬套的沟槽处于相同方位，以便回水流畅。

5 螺杆轴端改进

螺杆轴端加前支撑也是解决螺杆与衬套磨损的一个好对策。将原来压螺套的圆锥帽改成一个小短轴，短轴与耐磨衬套共用3Cr13钢淬火处理的摩擦副；或共用不锈钢镶嵌硬质合金块的摩擦副；或共用不锈钢堆焊耐磨层的摩擦副。摩擦副的配合应留出热膨胀后的间隙。

6 结论

膨胀干燥机设备故障主要解决对策及效果总结如下。

（1）筒体内均匀分布24个深7 mm、宽16 mm的槽，既有利于被挤压出来的水回流，还可以增大摩擦阻力，防止胶料抱螺杆堵料。

（2）螺杆进料段的螺套螺距与直径比由0.64增大到0.96，一、二段螺杆螺距也随之渐变，取消8个筒体上的剪切螺钉，可以加速胶料推进，减少进料口处堵料。

（3）螺杆轴与螺套由单键连接改为渐开线花键连接，可以增大截面积，防止轴在加工、热处理时变形，提高螺杆轴的抗拉伸、剪切、扭转强度，延长运转周期。

（4）取消螺套原缺口，并使每节螺套起始点与终止点的方位错开，防止螺杆受偏心力变形，减少筒体内衬磨损。

（5）改进进料斗下部滤网结构，并在进料斗与筒体连接法兰处增加沟槽，减少进料口处的堵塞，有利于进料。

经过以上改进，采用DN255螺杆、450 kW电机、螺杆转速217 r·min-1，夹套内最高压力1.0 MPa的饱和蒸汽，除了开车时需要夹套蒸汽加热外，干胶产量小于4.5 t·h-1时，夹套可以不用通蒸汽，单机干胶生产能力达到5 t·h-1，即在不增大电机功率、不改变螺杆转速、采用1.0 MPa饱和蒸汽压的前提下，可减少蒸汽用量，延长设备的运转周期，保证产品质量，降低能耗，提高单机生产能力。