崔樹剛,劉煥明,王宗巖,張衛(wèi)球,王仁善

(山東?；煞萦邢薰炯儔A廠，山東濰坊 262737)

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濾堿機轉鼓支承機構改造

崔樹剛,劉煥明,王宗巖,張衛(wèi)球,王仁善

(山東海化股份有限公司純堿廠，山東濰坊 262737)

通過對濾堿機轉鼓氣軸滑動軸瓦支承方式改造為托輪式支承，改變氣軸與軸瓦間的滑動摩擦為氣軸與托輪之間的滾動摩擦，減少了轉鼓運行時的轉動阻力，降低了電機減速機的負荷。

真空濾堿機；轉鼓；氣軸；軸瓦；托輪；改造

外濾面真空轉鼓式過濾機是目前我國純堿行業(yè)應用較為廣泛的固液相分離過濾機械，在純堿生產中，主要用來分離碳化取出液中的重堿結晶和母液，故在堿廠稱為濾堿機(下稱濾堿機)，是純堿生產的關鍵設備之一，它的性能優(yōu)劣和工作狀況，對純堿質量以及企業(yè)經濟效益，起著舉足輕重的作用。目前我廠采用的是過濾面積為20 m2的外濾面真空轉鼓過濾機。

1 項目實施背景

目前我廠新、老線重堿車間在用的14臺20 m2真空轉鼓式過濾機是由成都天?；C械有限公司生產的，設備本體材料為不銹鋼。設備總重量約23 t，轉鼓自重約6 t。服役時間大都在6～10年以上，大部分投產使用至今未進行設備大修和改造，目前相繼出現轉鼓負荷變大，傳動齒輪磨損，齒厚減薄超出規(guī)定極限，轉鼓氣軸、軸瓦接觸面磨損，主傳動減速機頻繁損壞，電機頻繁燒毀。非計劃性停車維修頻繁，損耗大，無法滿足正常生產需求。

2 原因分析與解決方案

2.1 原因分析

濾堿機轉鼓的安裝方式是轉鼓通過氣軸與軸瓦座固定安裝在濾堿機堿液槽兩側的機架上， 通過氣軸上的齒輪在驅動裝置帶動下，轉鼓在軸瓦上繞自身軸線旋轉，軸瓦與氣軸形成滑動摩擦副。由于滑動摩擦副的摩擦系數較大，氣軸轉速較低(≤1.8 r/min),脂潤滑方式在相對運動較低的狀態(tài)下難以形成可靠有效的潤滑油膜，使得軸瓦與氣軸滑動摩擦面處于半干摩擦狀態(tài)。時間久了，氣軸、軸瓦滑動摩擦面就開始磨損，潤滑效果變得更差，轉鼓轉動摩擦阻力進而增大，電機、減速機負荷升高，電流升高，直至燒毀電機。減速機斷軸、機殼拉裂等疲勞損壞故障頻繁發(fā)生。長期以來的檢修沒有從根本上去有效解決。久而久之，形成惡性循環(huán)。最終導致減速機整機報廢。不但增加了維修工作量，還造成維修成本的居高不下。

2.2 解決思路

為進一步降低濾堿機轉鼓氣軸與軸瓦滑動摩擦阻力大帶來的種種弊端，設計一種新型轉鼓支承裝置——托輪支承機構，在不改變設備原設計、原有結構基礎上，在軸瓦原安裝位置設計安裝四個托輪，替代軸瓦，轉鼓氣軸座落在托輪上。轉鼓通過氣軸上的齒輪在驅動機構帶動下繞自身軸線旋轉時，氣軸帶動托輪作相對轉動方向相反的滾動。改變原來氣軸軸瓦滑動摩擦為氣軸托輪的滾動摩擦，可大大降低轉動時的摩擦阻力，以減少電機、減速機的工作負荷，從而降低設備故障率，延長設備使用周期，提升設備的性能。

2.3 方案設計

濾堿機轉鼓托輪支撐機構，設計由托輪總成、托輪座、導軌、調整機構等部分組成(如圖1、圖6)。

圖1 托輪支承示意圖

2.3.1 托輪總成

托輪總成是該支承裝置的主要部件，由托輪、滾動軸承、托輪軸及其他附屬零件構成(如圖2)。

圖2 托輪部件裝配示意圖

托輪采用鑄鋼材料作基體，外襯非金屬材料，非金屬材料與鑄鋼鑄造為一個整體(毛坯件)，再進行機械加工成形。非金屬材料必須耐酸堿，耐磨損，硬度低于氣軸(不銹鋼材質)硬度，最大限度的保護氣軸，延長氣軸壽命。托輪內裝配兩只雙列球面圓柱滾子軸承，軸承兩端通過軸承壓蓋固定在托輪內，壓蓋設計有骨架油封達到軸承防塵防水的目的。軸承內圈裝有帶止動臺肩的托輪軸，防止托輪軸向竄動。托輪軸通過鍵連接固定在托輪座上。托輪繞托輪軸軸線轉動，軸固定不動，形成定軸式托輪。

托輪總成的設計：

1)托輪材料的選擇

濾堿機轉鼓氣軸材料為316L不銹鋼，其硬度≤187 HB，鑄鋼件材料硬度一般在156～450 HB之間，比316L硬度高。如果托輪直接使用鑄鋼制造，勢必造成氣軸滾動擠壓磨損速率高于托輪，造成氣軸壽命低于托輪，這是不允許的。因此，應考慮選擇托輪材料表面硬度要低于316L材料硬度，盡最大可能延長氣軸使用壽命。

經論證，選擇在托輪外圓周上襯一層非金屬材料PEEK(化學名稱為聚醚醚酮)，該材料為線性芳香族半結晶性高分子化合物。其機械性能具有剛性和柔性，對交變應力下的抗疲勞性能特別突出，可與合金鋼相媲美；自潤滑性能優(yōu)越，耐磨性強；耐強酸堿腐蝕，具有很高的化學穩(wěn)定性；易加工，可采用注射、擠壓、模壓、熔融等成型制造，機械切削性等同于碳鋼。綜合性能優(yōu)越，在許多特殊領域可以替代金屬、陶瓷等傳統(tǒng)材料。

2)滾動軸承的設計選型與校驗

濾堿機托輪支承承受的重量主要有轉鼓(8 152 kg)、壓輥(2 134 kg)、左右分配頭(1 344 kg)、齒輪(1 342 kg)，合計重量12 972 kg，考慮生產時加上物料估算總重不會超過15 000 kg，在此按15 000 kg重量推算，該重量被4個托輪平均分擔，那么每個托輪平均所分擔的重量(即軸承靜載荷)為3 750 kg，即3 750×9.8 N=36 750 N，每個托輪設計裝有二只球面圓柱調心滾子軸承(型號為22315)，那么，每只軸承受到的靜載荷為18 375N，設計軸承壽命為25 000 h，轉速≤10 r/min,按以上使用條件，進行軸承選型、校核(計算過程非本文所闡述內容，故略之)，可得到如下數據：

軸承類型：調心滾子軸承

軸承代號：22315

軸承參數：軸承內徑75 mm，軸承外徑160 mm，軸承寬度55 mm，額定動載荷258 000 N，額定靜載荷238 000 N，極限轉速2 800 r/min，潤滑方式：脂潤滑。

工作參數：徑向載荷18 375 N，軸向載荷5 000 N，使用壽命28 000 h，工作轉速10 r/min，接觸角10°，載荷系數1.1。

計算結果：當量動載荷34 441.10 N，當量靜載荷33 937.00 N，計算壽命700 627 h。

校驗結果：所選軸承(22315)工作狀態(tài)當量動載荷34 441.10 N<額定動載荷285 000 N，當量靜載荷33 937.00 N<額定靜載荷238 000 N，工作轉速10 r/min<極限轉速28 000 r/min，設計使用壽命28 000 h，計算壽命7 000 627 h。各項條件均滿足所選軸承應用要求，故軸承(22315)完全達到使用條件，可用。

3)托輪軸的設計

托輪軸設計為固定心軸，不轉動、不傳遞扭矩，僅起支撐作用，只承受彎矩。

設計條件：

根據軸承尺寸，軸的設計尺寸：軸最大直徑75 mm，最小直徑70 mm，軸總長240 mm。

軸所承受的最大載荷(即托輪承受的重量)：36 750 N，45#鋼的許用應力353 MPa。

軸傳遞的功率：15 kW，軸的最大轉速10 r/min。

根據抗彎扭強度推算軸的最小直徑為：Dmin=58.76 mm，考慮軸上軸承的尺寸，圓整后取D=70 mm。

強度校核可省略。

2.3.2 托輪座

托輪座設計為馬鞍式，采用鑄鐵材料。

托輪座用來固定支撐托輪軸。托輪座底部承載面開設有燕尾槽，通過燕尾槽安裝在導軌凸臺上，托輪可通過托輪座在導軌上在調整機構作用下平移，通過調整兩托輪中心距來實現轉鼓軸心線安裝初始位置不變，提高轉鼓工作精度(如圖3)。

圖3 托輪座示意圖(三視圖)

2.3.3 導軌

導軌設計為帶有中間凸臺的平板，碳鋼材料，刨削加工而成。用于安裝支撐托輪座(如圖4)。

圖4 導軌示意圖(三視圖)

2.3.4 調整機構

調整機構設計為絲杠螺母副結構，碳鋼或不銹鋼制成，用螺栓緊固在導軌上。兩托輪座在絲杠螺母副調整裝置的作用下推動兩托輪平移，改變兩托輪中心距的大小，實現轉鼓回轉軸線初始安裝位置不變(如圖5)。

圖5 調整機構示意圖(三視圖)

圖6 托輪機構總裝示意圖(三視圖)

3 改造效果及經濟效益概算

根據實際操作參數為基本條件，對改造后擬達到的效果作如下預測分析：

濾堿機轉鼓改用托輪支承機構后，轉鼓與托輪三者軸心線構成穩(wěn)定的等腰三角形，三者外圓相切，形成線接觸高副機構，相對運動方式由原來的滑動摩擦副(低副)機構變?yōu)榧儩L動摩擦副(高副)機構。一般情況下。滾動摩擦阻力約為滑動摩擦阻力的1/40～1/60,可大大減少轉鼓轉動產生的摩擦阻力。電機、減速機負載將得到明顯降低，進而減少動力設備的故障，減少維修成本和勞動力的付出。電機輸出功率和電流相應下降，達到節(jié)能效果，提升設備機械性能和使用壽命。

本設計方案只是對機械運動的摩擦形式發(fā)生改變，對設備的工作原理、生產工藝等方面沒有任何不良影響。

濾堿機滑動軸瓦拆除后，原軸瓦潤滑脂自動間歇注油機構可一并拆除，減少了潤滑脂的消耗，減少設備油污污染，清潔生產。

從經濟方面來看，軸瓦平均壽命為1～3年，根據運行十幾年來的維修情況，平均一對軸瓦大都在1年左右就開始磨損，更換一對軸瓦(主要是下軸瓦)制造成本3.6萬元，加上三年內，對減速機、電機的維修、購置成本，人工費用等一臺濾堿機三年內維修費用粗略統(tǒng)計約需18萬元，平均每年約6萬元左右。

而經過改造后，以三年為一次大修周期預計，托輪及軸承(更換四套)制造成本約計4.8萬元，改造施工費約需2萬元，一次性投入共約6.8萬元，減速機、電機由于使用了質量較好、性能更加優(yōu)越的進口設備，故障率極低，發(fā)生的維護保養(yǎng)成本約需6萬元，總的維修費用在一個大修周期可控制在12.8萬元左右，每年約需4.3萬元。相比較而言，通過改造，設備維護費用降低明顯。同時由此帶來的其它比如節(jié)能、環(huán)保等效益不可估量。

4 我公司濾堿機改造情況

新線重堿車間于2014年7月初對1#、9#濾堿機通過對轉鼓實施托輪支承改造、安裝、調試后，投用近三個月來，運行狀況較改造前效果明顯改善，電機減速機負載明顯下降，電機負載電流較改造前下降約4～9 A，溫升正常，減速機振動、機械噪聲基本消失。

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TQ114.15

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1005-8370(2016)01-16-04

2014-10-20

崔樹剛 (1977—)工程師，?？茖W歷。1998年畢業(yè)于大連大學，機械制造工藝及設備專業(yè)。就職于山東?；瘓F股份公司純堿廠設備管理部。