張緒文

（中石油四川石化公司，成都611930）

0 引言

利用離心原理將聚乙烯粉末與己烷進行分離，是於漿法聚烯烴生產(chǎn)工藝中的重要工序之一，離心機承擔著這一重要任務(wù)。離心機主要由外轉(zhuǎn)鼓、內(nèi)轉(zhuǎn)鼓及輸送螺帶、差速器等部件組成，差速器的作用是實現(xiàn)內(nèi)、外轉(zhuǎn)鼓之間的傳動，并形成一定的轉(zhuǎn)速差。外轉(zhuǎn)鼓與差速器的殼體聯(lián)接，內(nèi)轉(zhuǎn)鼓與差速器的輸出軸聯(lián)接，其基本工作原理是電動機驅(qū)動外轉(zhuǎn)鼓及差速器的殼體，通過差速器內(nèi)二級行星齒輪傳動，驅(qū)動內(nèi)轉(zhuǎn)鼓并使內(nèi)、外轉(zhuǎn)鼓之間形成一定的轉(zhuǎn)速差。

正常生產(chǎn)時，離心機的內(nèi)、外轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，聚烯烴於漿通過中心進料管進入內(nèi)轉(zhuǎn)鼓，再通過內(nèi)轉(zhuǎn)鼓筒壁上的通道進入內(nèi)外轉(zhuǎn)鼓之間的錐形空間，由于聚乙烯粉料與己烷密度不同，在離心力的作用下二者分離，形成由聚烯烴濕餅構(gòu)成的外環(huán)形區(qū)域和由己烷構(gòu)成的內(nèi)環(huán)形區(qū)域，由于內(nèi)、外轉(zhuǎn)鼓之間存在一定的轉(zhuǎn)速差，使得內(nèi)轉(zhuǎn)鼓外壁上的輸送螺帶對粉料產(chǎn)生向前的推力，將其從前部的固相下料段推出，己烷通過溢流堰從尾部的液相下料端排出，從而實現(xiàn)了聚烯烴於漿的固液分離。

我公司離心機是2013年從國外整機引進的，裝置開工初期差速器頻繁損壞，嚴重影響了裝置平穩(wěn)運行，我們對差速器進行解體分析，根據(jù)軸承及齒輪損壞樣貌、差速器結(jié)構(gòu)，以及對齒輪及軸承承載力的校核計算，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)及齒輪模數(shù)、軸承額定動載荷均存在問題。于是針對性地制定并實施了國產(chǎn)化改造方案，經(jīng)過上線運行取得了良好的效果，徹底解決了差速器頻繁損壞的問題，實現(xiàn)了離心機長周期平穩(wěn)運行。

1 故障統(tǒng)計

離心機歷史故障情況統(tǒng)計如表1所示。

表1 歷史故障情況統(tǒng)計表

2 故障原因分析

我公司共有3臺離心機，工藝設(shè)計為同時運行，自2014年初開工后一年內(nèi)頻繁出現(xiàn)差速器損壞的故障，對裝置的平穩(wěn)運行造成了極大影響。從每次解體檢修情況來看，差速器的損壞情況基本相似，均出現(xiàn)軸承滾動體局部點蝕或局部硬層脫落、砂架損壞，三星及四星銅套嚴重磨損，一二級太陽輪嚴重磨損，一二級齒圈嚴重磨損。

針對該差速器頻繁損壞的情況及故障特征，我們從多方位進行研究，確定了以下故障原因。

1）差速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。

圖1 原始結(jié)構(gòu)圖

從圖1可見，一級行星盤的右側(cè)通過軸承3支撐在蓋1上，左側(cè)通過軸承2與二級行星盤聯(lián)結(jié)；二級行星盤的左側(cè)通過軸承1支撐在蓋2上，右側(cè)通過軸承2與一級行星盤聯(lián)結(jié)。從設(shè)計角度認為，一二級行星盤通過軸承1、2、3的作用形成了兩端支撐且可以相對旋轉(zhuǎn)的剛性軸，以此來支撐三星齒輪、三星軸、三星銅套、三星盤、四星齒輪、四星軸、四星銅套、四星盤及其它相關(guān)部件。但實際上由于一級行星盤與二級行星盤之間的聯(lián)結(jié)軸承2存在一定游隙，二者之間通過軸承聯(lián)結(jié)不可能形成剛性軸，而是形成了懸臂結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)必然存在一定的擺動，原設(shè)計試圖通過對軸系動平衡量的控制來實現(xiàn)軸系的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，以解決其擺動問題。但實際上這種設(shè)計意圖很難實現(xiàn)。

從減速器的運行情況來看，差速器運行時振動偏大。從解體檢修情況來看，軸承頻繁損壞即是由于軸系存在擺動致使軸承工作姿態(tài)不穩(wěn)定引起的；一、二級太陽輪及一、二級齒圈頻繁出現(xiàn)嚴重磨損，即是由于齒輪嚙合中心距不穩(wěn)定引起的；一二級行星銅套及一二級行星軸磨損過快即是齒輪磨屑造成潤滑油污染所致。

2）軸承選型不合理，額定動載荷偏小。

建立每一套軸承的受力模型，根據(jù)軸承的設(shè)計參數(shù)、實際受力及運轉(zhuǎn)參數(shù)，核算每一套軸承的運行壽命，除圖3中E、F兩套軸承以外，其他軸承壽命均不超過1.5 a。以二級行星盤左支撐（圖1中軸承1）的兩套軸承為例，建立受力模型并進行壽命計算。軸承受力模型如圖2所示。

圖2 軸承受力模型

根據(jù)力矩平衡原理列出二元一次方程：

F1=F2+G1+G2；

F2×49=G1×98+G2×（98+155）。

式中：G1=1205 N；G2=353 N。

求得：F1=5791 N；F2=4233 N。

軸承使用壽命計算公式[1]為

式中：Lh為軸承使用壽命；n為軸承轉(zhuǎn)速，n=2200 r/min；C為軸承額定動載荷，C=49 400 N；F為軸承當量動載荷，F(xiàn)1=5791 N，F(xiàn)2=4233 N；K為軸承壽命系數(shù)，K=3。

經(jīng)計算二級行星盤左側(cè)支撐（左軸承）壽命為：12 040 h，約為1.38 a；二級行星盤左側(cè)支撐（右軸承）壽命為：4702 h，約為0.5 a。

從以上計算結(jié)果看，軸承的使用壽命過短是差速器故障多發(fā)的重要因素之一。

3）齒輪模數(shù)選擇偏小，承載力不足。

經(jīng)齒輪強度校核計算，一、二級行星系的輪齒模數(shù)均偏小。以一級太陽輪為例，太陽輪參數(shù)：模數(shù)m=2.5;齒數(shù)Z1=18 ;變位系數(shù)X1=0.29;齒寬B=50 mm；數(shù)量1件。行星輪參數(shù)：模數(shù)m=2.5;齒數(shù)Z1=49 ;變位系數(shù)X2=0.23;齒寬B=50 mm；數(shù)量1件。差速器數(shù)據(jù)：輸出轉(zhuǎn)矩為30 kN·m；速比為40.38；輸入軸轉(zhuǎn)矩為758 N·m。

齒輪材質(zhì)及相關(guān)參數(shù)：材質(zhì)20GrMoTi；屈服強度δs=835 MPa。

計算公式[2]為

δH=ZH×ZE×Zεβ×[Ft/bd1×（u+1）/u×KA×KV×KHβ×KH2]1/2。式中：δH為齒面接觸疲勞強度；ZH為節(jié)點區(qū)域系數(shù)；ZE為材料彈性系數(shù)；Zεβ為重合度和螺旋角系數(shù)；Ft為分度圓上的圓周力；b為齒寬；d1為分度圓直徑；u為嚙合齒數(shù)比；KA為使用系數(shù)；KV為動載系數(shù)；KHβ為齒向載荷分布系數(shù)；KH2為齒間載荷分布系數(shù)。

經(jīng)計算，δH=1370 MPa，此值遠大于材料的屈服極限835 MPa。說明齒輪模數(shù)選擇偏小，這是造成差速器故障頻發(fā)的另外一個主要因素。

3 改造措施

針對差速器存在的問題，進行了如下4方面改造：

1）在一、二級行星盤之間增加墻板，并在二級行星盤右側(cè)軸徑與墻板之間增加軸承C，使軸承A和軸承C對二級行星盤形成穩(wěn)定的兩端支撐，從而消除二級行星盤原設(shè)計的懸臂狀態(tài)。

2）將二級太陽輪與一級行星盤之間的聯(lián)結(jié)形式，由原來的花鍵聯(lián)結(jié)改為方鍵聯(lián)結(jié)，并采用H7/m6配合，消除原設(shè)計花鍵內(nèi)部固有間隙，使二者成為一個剛性的整體軸系，該軸系在軸承B及軸承D的兩端支撐下，成為一個穩(wěn)定的軸系，消除了該軸系原設(shè)計的懸臂狀態(tài)。

3）原設(shè)計差速器中共有7套軸承，改造后共有6套軸承，其中4套軸承重新選型提高了額定動載荷，2套型號未變。圖1中軸承1原設(shè)計為2套軸承，改為圖2中深溝球軸承1套（軸承A）；圖1中的軸承4原設(shè)計為深溝球軸承，更改為圖2中的單列滾柱軸承（軸承B）；圖1中的軸承2取消，新增圖2中的軸承C；圖1中的軸承3更換型號并改變支撐位置，被圖2中的軸承D取代。圖2中的軸承E、F無變化。

圖3 改造后結(jié)構(gòu)

4）改變一、二級行星輪及一二級齒圈的齒輪模數(shù)及齒數(shù)，在速比不變的情況下增加輪齒的強度，提高齒輪載荷能力。其中一級行星系輪齒的模數(shù)由原來的2.5改為3.0，太陽輪齒數(shù)由18齒改為23齒，行星輪齒數(shù)由49齒改為68齒，齒圈齒數(shù)由117齒改為116齒；二級行星系輪齒的模數(shù)由原來的3.5改為5.0，太陽輪齒數(shù)由26齒改為23齒，行星輪齒數(shù)由43齒改為35齒，齒圈齒數(shù)由114齒改為97齒。

4 改造效果

將以上改造成果應(yīng)用于國產(chǎn)化制造當中，國產(chǎn)差速器于2015年6月上線運行，狀態(tài)平穩(wěn)，振動明顯小于進口差速器，運行周期達到3 a，壽命提高了10倍以上。但需要特別注意，由于差速器在正常運行時無法檢查油位，并且初期故障很難發(fā)現(xiàn)，一旦振動增大基本上已經(jīng)嚴重損壞。所以必須做好定期保養(yǎng)，推薦每半年停機檢查油位、油質(zhì)，每2 a強制大修一次。