PTA重型离心机的修复及改进

PTA重型离心机的修复及改进

陈正满，翟英明，胡丽莉，陈本权，邓香中

（辽化机械厂，辽宁辽阳111003）

    摘要：某PTA装置重型离心机在经过多年的使用后，存在处理能力严重下降、振动噪声大及运行周期短等制约装置平稳运行的问题。通过对磨损表面的激光焊接以及密封套的表面金属陶瓷强化，并对局部结构做了改进，采用SolidWorks建模、ANSYS应力分析，从理论上分析出设计的不足环节，有效地保证了修复方案的合理性。

    关键词：重型离心机；处理能力；振动及噪声；激光焊接；表面强化；改进

    中图分类号：TQ051.84文献标识码：A文章编号：1002－2333（2010）05－0000－03

    1·引言

    PTA（PureTerephthalicAcid，PTA）即精对苯二甲酸，在常温下是白色粉状晶体,无毒、易燃，若与空气混合，在一定限度内遇火即燃烧，是重要的大宗有机原料之一。卧式螺旋卸料沉降离心机是利用离心沉降原理分离悬浮液的设备，它主要用于完成固液相有密度差的悬浮液的固相脱水、液相澄清、粒度分级、浓缩等工艺过程［1］。PTA装置离心机是PTA浆液提纯和脱水的关键设备，而卧式螺旋卸料沉降离心机是目前PTA装置最为普遍采用的设备［2］。中国石油乌鲁木齐石化公司化纤厂PTA装置所使用的4台重型卧式螺旋卸料沉降离心机（装置位号为：M1-1411A/B、M1-1421A/B），是英国Broadband公司1990年代生产的。经过多年的使用，其处理能力和使用性能明显下降，需要通过大修及改进，恢复设备的原有能力。

    2·设备修复前的设备基本情况

    设备的基本参数见表1。

    设备存在的主要问题如下：

    （1）转鼓的进出料端半轴：配合表面严重磨损及刮伤，法兰根部出现明显裂纹，法兰与轴线的垂直度超差；（2）转鼓直段与锥段：内部筋条磨损及局部脱焊撕裂扭曲，配合直口磨损；（3）螺旋卸料器（内转子）：叶片外廓磨损刮伤严重，叶片局部扭曲变形；（4）密封轴套：密封表面磨蚀严重；（5）内部轴承箱：轴承配合面磨损等。由于存在上述一系列问题，综合导致这4台设备在运行中振动严重、处理能力急剧下降、运行周期短等。

    3·设备的修复方案制订

    （1）转鼓半轴法兰根部的裂纹：对于3件尚未产生贯穿性裂纹，法兰扭转不太严重的进料端转鼓半轴，用机械方法清除裂纹后，用钨极氩弧焊进行补焊。焊接中严格控制线能量，并且在半轴内采用水冷等措施防止变形。焊后将表面修磨光整，最后对法兰外缘的配合直口重新进行加工，恢复其原始的形位精度。对于产生贯穿性裂纹，法兰扭转严重，无法修复的一件半轴，采用锻焊结构重新制造新的备件。

    （2）半轴上各配合表面：采用激光熔敷镍合金，焊补后进行机械加工。

    （3）螺旋卸料器（内转子）：对变形的叶片进行校正，采用氩弧焊对叶片外廓进行堆焊，然后进行机械加工，达到叶片的理论外廓和叶片刃口要求。

    （4）转鼓（直段与锥段）：用磨削等机械方法将筋条拆下，将转鼓内表面修磨光整后，用塞焊上新的筋条，用激光焊接修补两端配合直口，然后上机床进行机械加工。

    （5）密封轴套：将密封表面进行修磨，然后进行金属陶瓷强化，强化后表面磨削加工。

    （6）内部轴承箱：所有配合表面用氩弧焊进行堆焊，热处理后重新进行机械加工。

    （7）动平衡试验要求：各主要零部件加工后进行动平衡试验（G2.5），转子总成装配后进行整体动平衡试验（G6.3）［6］。

    4·修复过程中的几个要点

    （1）加工基准的选择：为了保证零件形位公差要求，告别是同轴度要求，原则上选择轴承的配合面作为加工基准。

    （2）保证零件重装夹精度的措施：部分零件在加工中难以避免调头或重复装夹问题，保证重复装夹精度是保证加工精度的关键环节。细长空芯零件，采用镶装芯轴，所有的加工都以中心孔为基准，保证了重复装夹的基准统一和精度要求。

    （3）控制加工中的装夹变形：转鼓属于薄壁零件，为避免加工过程中径向装夹力太大，造成零件变形，此类大型零件适宜在立车上利用胎具装夹，能够避免装夹变形，保证装夹精度。

    5·修复过程中的改进措施

    5.1转鼓半轴法兰根部开裂和扭转变形  

    （1）失效原因理论分析 4·台设备均出现了同样的失效问题，尽管设备使用年限较久，但也说明设备在强度设计上存在严重的不足。为找出薄弱环节，采用大型有限元分析软件ANSYS对半轴的应力强度进行分析计算［3］。单元的划分见图1。

    为更精确计算应力集中部位的应力情况，对法兰根部的单元进行了更精细的规划［4］，见图2。

    有限元分析结果如图3~图4所示。图3为外转鼓模型在离心力作用下的应力强度分布云图。图4为供料端转子半轴应力集中处局部应力强度分布云图。

    由图4的分析可以看出，应力强度最高处是在应力集中的右侧圆角处。原来的进口4台离心机就是在这个位置出现了裂纹，长期使用后法兰出现相对于轴线的扭转，都应和此处的应力集中有直接关联，所以只要适当提高此处的强度，断裂和变形的问题就会从根本上得到解决。

    （2）提高强度的有效措施单纯增加结构的尺寸通常不能明显改善应力集中敏感度，解决应力集中最有效的方法就是减小结构的突变。鉴于结构允许及材料理论力学原理可以推测，适当加大法兰根部的圆角半径能够降低应力集中的敏感度［5］。对这一设想进一步通过有限元分析加以验证。现在主要考虑两个几何尺寸参数：供料端转鼓半轴的法兰厚度L以及芯轴与法兰连接处的圆弧半径R（图5），分析二者的改变对应力集中处的应力强度的影响。分析计算结果见表2。通过表2可以得出结论，增加法兰根部厚度对降低应力集中不明显，而增大法兰根部圆角才是降低应力集中敏感度的有效措施，也是最容易实现最经济的改进方案。在组合计算中，法兰根部圆角从R15增加到R25，应力集中强度可以降低25%~30%。

                      图5供料端转鼓半轴局部位置结构示意图

    5.2内部轴承频繁失效

    通过对4台离心机的使用情况进行调研得知，设备失效大多由于进料端的轴承首先失效导致的。物料进入内部轴承箱污染润滑脂是导致轴承失效的直接原因，而物料的侵入又多是内侧密封损坏，失去保护作用造成的。物料直接喷溅、密封轴套的密封表面磨蚀是导致其失效的根本原因，因此提高密封轴套的抗磨性能和防止物料直接喷溅是解决问题的主要途径。经过研究，采用了金属陶瓷对摩擦表面进行强化，提高轴套的耐磨蚀性能。另外，在不改变装配形式，在密封外侧设计安装一个抛料环，阻挡物料直接喷溅内侧密封。两个联合改进措施，达到了延长密封的寿命、提高设备运行周期的目的。

    6·结语

    借助ANSYS有限元分析软件对设备进行应力分析，找出了设备使用中容易变形的主要原因，通过激光熔敷修复了受损的零件，通过金属陶瓷强化和抛料环保护等手段提高了密封的运行寿命，使离心机的性能恢复到了设备进口初期的水平。

    ［参考文献］

    ［1］孙启才.离心机原理结构与设计计算［M］.北京：机械工业出版，1983.

    ［2］高慎琴，潘永密.化工机器［M］.北京：化学工业出版社，1992.

    ［3］JB/T 8051-1996，离心机转鼓强度计算规范［S］.

    ［4］冯立成，周密，易泽明.离心机复杂转鼓的有限元优化设计［J］.机械强度，2002，24（2）：295-297.

    ［5］刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，2004.

    ［6］JB/T 4335-1991，螺旋卸料沉降离心机技术条件［S］.（编辑黄荻）

    作者简介：陈正满（1964-），男，工学硕士，高级工程师，从事机械设计与制造方面的工作。