赵 新，李世财，王立峰，肖光宇，邓联新

（中国石油独山子石化分公司设备检修公司，新疆独山子 833699）

0 引言

膨胀烘干机是某装置后处理生产橡胶产品的关键设备，胶料通过挤压、剪切、摩擦沿轴向输送推进，直到从模板挤出，以达到使胶料进一步膨胀干燥的目的，这对橡胶产品的质量有着重要作用。膨胀烘干机的频发故障制约着产品的正常生产，给公司造成极大的经济损失。

1 膨胀烘干机的结构及工作原理

膨胀烘干机主要由主电机、液力耦合器、减速箱、螺杆轴、螺套、筒体等组成，螺杆轴右端插入减速箱的传动轴套内，左端由24 节螺套用键连接套装在轴上。长4.0 m、重1.0 t 的螺杆在筒体内呈悬臂状态，各段螺距不同，螺距由低压侧向高压侧逐渐缩小到，利用螺距缩小制造压力，增加摩擦生热，以达到将胶料内水分挤出，提高烘干能力的目的。沿筒体每隔一段距离的四周，由外向内壁伸出4 个凸起的剪切螺钉，共22 圈，与螺套的插槽相对应，其作用是剪切螺杆上的胶料，使胶料不随螺杆同轴转动，促使其沿轴向受挤压而向前推进。螺杆头为有利于螺杆主轴调心定位的圆锥形结构。

脱水机工作时输出的胶料，通过膨胀式烘干机进料斗将胶料源源不断地喂入进料段，再将胶料通过剪切螺钉、旋转螺杆等方式进行剪切，使胶料挤压后沿轴向输送；同时，在筒体夹套内通过热蒸汽加热以软化胶料而利于挤压和干燥，胶料在筒内受到剪切、挤压和摩擦作用，至挤出段胶料压力已升至5～7 MPa，温度达100～175 ℃，当处于受压状态的胶料从模板喷嘴高速喷出时，由于模板外侧空间突然增大，胶料压力由7 MPa 左右骤降至0，使胶条突然膨胀松弛，胶条内所含水分迅速闪气化，从胶料中逸出，将胶料含水率由8%～12%降至1.5%，以达到膨胀干燥的目的。

2 膨胀烘干机的故障现象

（1）螺杆轴断裂。从所有断轴的情况来看，断轴部位基本上是在螺杆轴直径的变径部位，也是在胶料入口的第一级螺套（图1）。

图1 螺杆轴的断裂面

（2）螺套及筒体衬套磨损。螺套和筒体衬套在高压段磨损严重（图2）。

图2 磨损的螺套及筒体衬套

（3）剪切螺钉损坏，在高压段剪切螺钉损坏最严重（图3）

图3 剪切螺钉螺纹损坏及端部磨损

3 故障原因分析

设备在运行过程中，通过旋转的螺杆将橡胶从进料段推进到模头，螺杆轴一方面受到螺旋挤压过程中产生的扭转剪切应力，另一方面也受到自重产生的弯曲应力，同时受到介质的腐蚀应力，因此螺杆轴在运行过程中受到的压力较大。另外，在外部负荷变化的作用下，剪切应力产生交变应力，呈周期性变化。在交变应力作用下，螺杆轴极易出现疲劳断裂、缩短使用寿命。

3.1 工艺原因

3.1.1 开、停车过于频繁

为了开发新产品，设备要经常进行新产品试机试验，由于工艺操作不成熟，需要不断摸索经验，设备运行不能达到稳定的状态，有时一天开停车数次。另外，为了适应市场需求，需要经常转换不同系列的橡胶产品进行生产，造成开停机频繁。每次开停机使螺杆轴的扭转应力在零和最大值之间变化，螺杆轴承受了巨大的交变应力，对螺杆轴的断裂产生重大影响。

3.1.2 下料不均

当膨胀烘干机正常运转时，应根据进料负荷适当调整转速。凝聚釜到后处理的物料，由于工艺的影响，有时会出现负荷波动过大，严重时甚至会出现断料的现象。螺杆转速不可能在物料负载波动时及时作出相应的调整，因此螺杆轴受交变应力的影响比较频繁，特别是当进入烘干机内的物料较少时，机体内会出现间歇空腔，使螺杆轴无法正常托起，从而引起螺杆与机筒的摩擦，使其寿命大大降低。

3.1.3 频繁堵料

堵料原因主要有两个：①由于原来的料斗设计不合理，容易引起加料堵塞；②由于烘干机的螺套有不同程度的磨损，使螺杆与筒体之间的间隙增大，导致烘干机吃料不畅，在烘干机进料段发生堵料。物料在进料斗内积存，不再进入机体内，操作人员不能及时发现并立即停机，此时螺杆轴在机体内无物料的情况下继续运行，导致螺杆与筒体摩擦，加剧了螺套与筒体衬套之间的磨损。

3.1.4 模板开孔率不合适

开孔率一方面影响产品的挥发分，另一方面对螺杆头部产生背压，使物料包裹螺杆，让螺杆与筒体不发生碰撞。当开孔率不合适时，形成不了足够的背压，就无法托起螺杆，造成螺杆与筒体碰撞。

3.2 螺套、筒体衬套耐磨性差

膨胀烘干机在高温、高压、腐蚀、冲击大的环境下工作，交变负荷变化频繁，再加上螺杆在机筒内处于悬臂状态，所以在运行过程中难免会出现螺套与机筒衬套接触磨擦的现象。所以在这种复杂多变的环境中工作，选材尤其重要，不能单从某方面考虑，还应从实际出发综合考量。并选择合适的热处理工艺，以达到满足生产实际需要的最佳性能，来保证设备运转的使用周期。

3.3 设备选型不对

膨胀烘干机原设计产能为4 t/h，实际产能为2 t/h；模板前设计压力不大于7 MPa，实际操作模压有时低于4 MPa，使机组在运行过程中不能满负荷运转，橡胶介质不能完全充满整个腔体，螺杆在转动中不能很好的支撑，产生很大的挠度，末端螺套与筒体磨擦，造成筒体内表面及螺套磨损，特别是对螺杆根部产生疲劳应力，最终会导致螺杆断裂、缩短螺杆轴寿命。

4 改进措施

4.1 稳定凝聚单元和聚合单元的操作

凝聚设备运行正常，生产负荷平稳，确保下料均匀进入膨胀烘干机；聚合单元运行稳定，橡胶门尼值恒定，凝胶含量低，橡胶各项性能指标优良，所以橡胶到后处理单元不会出现堵胶和挂胶现象；使螺杆在交变过程中受到较小的应力。

4.2 进料斗改造

原厂进料斗是以倾斜的方式沿着螺杆的切线进行进料的设计，很容易产生窝料的现象。现在料斗改成圆锥形结构，这一段的压缩比将会增加，进料量也会增加；为增加胶料与料斗的摩擦，提高投料效率，在料斗锥形内壁上加工几条沟槽；同时加大了料斗锥形内壁面粗糙度的要求，使胶料不会产生粘滞感；使物料顺利入筒，不会出现进斗堵料的现象。

4.3 模板开孔率调整

通过调整开孔率来控制产品的挥发分和螺杆头部的背压，来保证螺套与筒体不发生碰撞，生产合格的产品。

其中，N 为模孔个数，d 为模孔直径，D 为筒体内径。

根据不同牌号、不同的螺套来设计不同开孔率，以满足生产工艺需求。根据此次改造情况，模板模孔设计了2.5 mm（开孔率0.67%）、3.0 mm（开孔率0.91%）、3.5 mm（开孔率1.38%）3 种规格。分别采用不同规格模孔进行负荷测试，根据产品挥发份逐步提升工作负荷，当工作负荷达到2.0 t/h，观察产品质量和设备运行情况，来最终确定模孔规格。改造后的模板采用316L 材料，该材料耐腐蚀性、耐高温性好，同时模板内设有蒸汽夹套，可以对模板进行加热。

4.4 螺套及筒体衬套的表面处理

螺杆在筒体中呈悬臂状态，旋转时如果不能得到很好的支撑就会产生很大挠度，末端螺套与筒体衬套就会产生磨擦，筒体内表面和螺套将严重磨损。为此在末端螺套、筒体衬套上堆焊司太立硬质合金材料，提高耐磨性、耐高温性、耐腐蚀性，并增加衬套厚度，同时末端螺套采用双头螺套，增强物料的混炼能力，提高螺杆旋转稳定性，延长螺杆使用寿命。

4.5 螺套及筒体尺寸重新设计

为了匹配生产实际产能，需要将产能由4 t/h 降低至2 t/h。

综合考虑各方面因素，经计算和实际结合，螺套外径由255 mm 减小至225 mm；底径保持不变；外径减小，吃料空间减小，产量、负荷合理地降低和减少；部分螺套螺距按规律增大；部分螺套长度减小；总长保持不变。螺距增大导致挤压作用减小，减少发热同时产量、负荷合理降低和减少；相应减小与螺套配合锥筒体内孔尺寸和直筒体衬套尺寸，同时改变直筒体上与螺套配合的剪切螺钉孔位置。

4.6 剪切螺钉改造

剪切螺钉形式由螺纹连接改为光孔，设有4 个安装螺钉及两个拆卸螺纹孔，并且端面铣扁，安装拆卸更方便，节省时间。材料选用3Cr13 调质处理，强度高耐腐蚀。另外剪切螺钉采用端面密封，由于紧固密封的螺栓不与介质接触，就不会造成螺纹损坏失效引起泄漏，所以改造后密封效果好。

5 结束语

膨胀烘干机经降能改造后，设备运行正常，满足生产实际负荷，产品质量达标；现已运行一年，没有发生一次设备原因而停机的故障，确保了设备的长周期运行。