聚丙烯造粒机气动摩擦式联轴器研究.pdf

第 1 期 一 3 5一 聚丙烯造粒机气动摩擦式联轴器研究 吴现倍，闰晓东，穆树才 神华包头煤化工分公 司烯烃 中心 ， 内蒙古 包 头 O1 4 0 1 O [ 摘要】介绍了大型挤压造粒机主联轴器气动摩擦式联轴器的工作原理、结构特点及安全功能，对联轴器的常见故障进行 了分析并给出故障排除方法，对国产化摩擦片的理论计算、材料选用、联轴器的安装注意事项等进行了研究。 [ 关键词]联轴器；故障分析；摩擦 片；国产化；安装 早 期挤 压机 过 载保 护 的联 轴器 通 常采 用 剪 切销 式安全联轴器 。剪切销式安全联轴器虽然结 构简单 ，但 由于销钉 的材料强度 、生产制造误差 以及剪切疲劳 的影响 ，工作的准确度不高，并且 更 换销 钉 需要 较长 的时间 。随着 石化 装置 的大 型 化 以及挤 压 造粒 机组 的规 模 、能力 的不 断 扩 大 ，就 国内聚烯烃而言 ，造粒机组的能力 已经 由 1 0 t ／ h 提高 mJ 7 5 t ／ h ，主 电机功率 国内最大 的已接 近 2 0 0 0 0 k W 。如今，作为挤压机 的关键 部件之一 的主 电机 与主减速箱之间的 联 轴器 ，能 否满 足 工 艺要 求 ，达 到 安 、稳 、长、满 、优运行 ，就显得 尤 为重要。 作 为挤 压 机 与 主减 速 机 之 间 的 连接部件 ，不仅要将主电机 的运转扭 矩传递到减速箱，而且还要保证在螺 杆过载时 ，迅速脱开 ，停止扭矩的传 递，以保护主 电机不受损坏 。因此这 个联轴器必须能传 递很大 的扭矩 ，还 必须有机械保护装置 。目前应用于聚 烯烃挤压造粒机组的联轴器主要有气 动摩擦 式离合器和液压扭矩式安全离 合器，这两种联轴器都能传递较 大的 扭矩 ，防止过载，保护主 电机，但 具 体结构原理及过载时所采取的处理措 为活塞式多片气压离合器 。 气 动摩擦 式离合器 系统包括 以下四个主要 部 分 仪表风控制单元、速度差仪表 检测系统、离 合器本体、输入侧及输 出侧 的轴毂。图1 所示为某 煤化工聚丙烯装置造粒挤压机 主联轴器 图纸 ，典 型的D E S C H 气动离合器的结构装配图。在输出轴 即减速箱侧 的轴心处 ，仪表风 控制系统提供 2 5 0 - 5 5 0 k P a 的压紧力 。 施有所不 同。本文主要对气动摩擦式离合器进行 研究。 1气动摩擦式离合器工作原理 摩擦 式离合器广 泛应用 于汽 车，汽车离合器 的原理经 改造后应用于挤压造粒机 。 目前我 国聚 烯烃装置造粒挤压机组上使用的气动离合器 ，均 卜螺栓 ；2 一 唇封 ；3 - 0 圈；4 - 轴套 ；5 一 活塞 ；6 - 0 圈；7 一 唇封 ； 8 一 压板；9 一 复位弹簧；l O 一 摩擦片；1 1 一 内片；1 2 一 内齿套； 1 3 - 销环；l 4 一 垫圈；1 5 一 橡胶块；1 6 一 橡胶柱销；1 7 一 弹簧垫 圈；1 8 一 螺栓；l 9 一 螺栓；2 O 一 垫圈；2 1 - 橡胶块；2 2 一 挡板 2 3 一 定隙销；2 4 一 套管；2 5 一 螺栓；2 6 一 缓冲轮；2 7 一 连接套 图1 气动摩擦离合器总图 作者简介吴现倍 1 9 8 2 一，男，山东宁阳人， 2 0 0 6 年6 月毕 业于大庆石油 学院，工程师 。现在神华包头煤化工分公司烯烃中心 工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 3 6 一 一 技术交流 石油和化工设备 2 0 1 6 年第 1 9 卷 如 图1 所 示 ，其主 要部件分 为三个 部分 电 机侧输入轴部分 、摩擦片连接作 用部分 、减速箱 侧输 出部分 。电机侧输入轴部分 与摩擦片连接作 用部分 由1 2 个橡胶柱销连接而成 ，这种连接方式 容 易制造 ，拆装简单 ，并且橡胶还 能变形吸收开 车时 的强大冲击力，减振效果好 ，不 需要进行润 滑 。由于主 电机选用的是动压滑动轴承 ，在运转 中会有用一定量的轴 向窜动 ，该种形式 的离合联 轴器刚好吸收这部分窜动 。为 了防止高速运转过 程 中过大 的轴 向窜动影 响离合器 的稳定工作，在 离合 器输入轴部分及摩擦片连接作用部分之 间， 还安置 了轴 安置 向位移 限制装 置，橡胶块2 1 与缓 冲轮2 6 及挡板之间的间距为2 mm之 内，同时橡 胶块 图1 中件2 1 还能降低主 电机输 出轴窜动时 对离合器产生 的冲击 ，有效地保护离合器的正常 安全 运行。输 出轴部分与摩擦片作用部分通过螺 栓 图1 中件 1 相连 ，活塞 图1 中件5 安装在 轴套 图1 中件4 上 ，形成一个仪表风气室 ，以 气封 图1 中件2 及O圈 图1 中件3 、7 进行密 封 。为 了给离合器提供压紧力 ，必须在输 出轴 中 心钻孔 ，借助减速箱另一端旋转接头和仪表风控 制系统进行连接，以便使仪表风 由轴 中心孔进入 气室 。摩擦 离合器 需要连接时 ，必须提前打开仪 表风供应手阀，使 仪表风进入联轴器气室，推动 活塞 图1 中件5 向右移动 ，推动压板 图1 中件 8 ，压紧摩擦片组件 图1 中件 1 0 ，此时离合 器 处于接合工作状态 。主 电机开车时，输入轴部 分通过橡胶柱销 图1 中件1 6 驱动 内齿套 的内齿 带动摩擦片组件 图1 中件1 0 通过摩擦力将扭矩 传递给 内片 图1 中件1 1 ，内片 图1 中件 1 1 带动连接套 图1 中件2 7 ，驱动输 出部分带动主 减速箱运行 。如图2 所示，离合器所能传递 的扭矩 与仪表风压力成正 比，其关系为线性关系。挤压 机一般有两个不 同的挡位 ，即高速挡和低速挡 ， 不同的挡位对应不 同的造粒负荷，同时也对应着不 同的离合器的仪表风控制压力 。在摩擦片发生磨损 的情况下，仪表风压力会 自动推动活塞补偿磨损的 间隙量，因此不会影响机组的正常运行 。如果造粒 螺杆发生故障，扭矩突然增大，超过离合器最大传 递扭矩时，摩擦片开始打滑，产生丢转现象，转数 差检测系统就会 向P L C 发 出转数差报警 ，联锁停主 电机 ，有效地保护主电机及机械部件 。 空气压力 图2 离合器的传递扭矩与仪表风压的关系曲线 压控制系统轻易地 实现切 断扭矩传递路线，更可 以通过调节仪表风的风压来控制造粒机的负荷。 2 过载保护功能，当挤压机减速箱故障过载 或双螺杆 内进入金属物时 ，传动载荷 突然增大 ， 如果离合器传递 的扭矩超过离合器的限定值 时， 则 离合器 自动 打滑 ，从 而使转 数 差仪 表报 警联 锁停车，避 免因过载损坏主 电机及齿轮等机械部 件，对设备启动起到保护作用 。 3 挤压机 组停 车 时，离合 器 自动 脱开 ，在 无负荷 的情况下主 电机惰走停机 ，保护主 电机轴 承 。挤 压机 主 电机通 常采 用动 压及 油环 润滑 轴 承 ，惰走停机过程 中， 由于动压油膜依然成立 ， 并且无负荷运行，因此 电机两端主轴承仍能保持 良好的润滑。 4 从气动离合器的结构可 以看出，在挤压机 辅助 电机启动排螺杆 内物料时 ，由于离合器处于 无风压脱开状态 ，所 以主 电机不会被 辅助 电机带 动一起旋转，也不会 引起主 电机转子发生长时间 低速运转的情况 ，因此针对采用 动压滑动轴承 的 主 电机 ，在设计上就不需考虑为轴承安装静压顶 升油 泵 。 5 对 于主 减速 箱 ，此 种气动 离合 器 的影 响 在 于，为 了把仪表风引入 离合器作为摩擦力 的气 源 ，需要在 减速 箱与 离合器 相 连 的主轴 中心 打 孔 ，轴 端 以旋转 接头 形式 与仪表 风 控制 单元 相 连 ，此 输气 孔要 贯 穿整 个长 轴 ，制 造难 度 比较 大 ，另 外旋 转接 头 内有轴承 机封 等 部件 容 易损 坏，导致机组停车。 2气动离合器的特点及功用 3摩擦离合器故障分析 1 气动离合器的特点之一 ，就是可 以通过气 气动摩擦离合器常见的故障有以下几种 一 誊． ⋯ 基取蹬 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 吴现倍等 聚丙烯造粒机气动摩擦式联轴器研究 一 3 7 一 摩擦 片 打滑 ，导致 离合 器 发 热 冒烟甚 至 噪 声 ；制动 失效导致离合器不能正常分离 ；摩擦片 断裂破损等 。 造 成离合 器 故 障 的原 因实 际上 多 为各 种 因 素相 互影 响、共 同作用 的结果 ，如离合器漏仪表 风 ，导致 气压 下 降 ，继 而减 小 了离合 器传 递 扭 矩 ，就会产生打滑现象 ，长时间会使摩擦 片产生 发热 冒烟等 。以下分别分析摩擦离合器的这 几种 常见故障。 1 摩擦片打滑导致离合器发热冒烟 摩擦离合器 是挤压机用来传递主 电机和主减 速器 之间扭矩 的安全部件 ，一旦摩擦离合器 出现 过载 现象，就会使摩擦片打滑 ，长时 间会 出现发 热 冒烟等现 象，从而 导致主机联锁停车 。由于摩 擦离合器打滑脱开造成造粒停车 的主要原因有 以 下几种 聚合物熔融不好 ，加热不够充分 ，产量过大 导致 阻力过大 ，容 易引起主 电机扭矩升高 ；简体 内有金 属物使螺杆卡塞 ；摩擦离合器损伤 ；齿轮 箱 内部润滑 油油温过低 ，油黏度增大 ；摩擦离合 器空气压力没有达到标准值 。 为解决摩擦离合器打滑 的故障 ，针对 以上原 因总结出几项解 决措施 在停车后及时投用主 电机和主减速器润滑油 系统的电加热器 ，必 要时停止循环冷却水 ，保持 润滑油 温度 ；再 次开车过程 中运行辅助 电机 ，并 通过间断性的下料 ，充分置换筒体 内物料 ，保持 辅助 电机在 一个较低 的扭矩启动主 电机 ；停车后 用四氯 化碳清洗剂清洗摩擦离合器 ，保证摩擦盘 和摩擦 片表面清洁 ；及 时更换 易损件摩擦片 ，离 合器 工作时，摩擦面 不可避 免地发生相对滑动 ， 造成摩擦面磨损 ，虽然气动离合器有 自动调整摩 擦 片 磨损 的功 能 ，但 当摩擦 片 磨损 到一 定程 度 后，摩擦扭矩 下降，就会发生打滑现象 ；仪表风 控制 系统造成 离合器 结合气压不足 ，使传递 的扭 矩 下降。 比如漏气 ，离合器供气管路上各接头密 封不好 ，产生泄漏 ；气缸和活塞 的密封 圈安装或 选 用不好 ，或损坏 ，导致密封差 ，产生泄漏 ，应 及 时消 漏或更换备件 。机械故障方面 ，摩擦离合 器 安装不 当，外毂和 内片连接套安装精度低 ，对 中不在 范围内，断面跳动大 ，内外摩擦片安装 到 齿槽 中时位置倾斜 ，使离合器工作时实际摩擦片 的接触面减 小，导致传递 的扭矩较低 ，此种情况 下，要重新按照规范安装并复查对 中。 2 离合器制动失效 由于 回位 弹簧 失 效造 成离 合器 不 能 自动 脱 开 。一般离合器弹簧 失效有两种 ，一是弹簧 本身 断裂，因为离合器 脱开 是需要弹簧释放弹簧 的压 缩能量来完成的，因此弹簧承受着较大的压缩力， 加上挤压机开停车时的应变载荷，当应力超过弹簧 疲劳极 限时 ，弹簧 应力集 中的部位便会萌生疲劳 源，产生弹簧疲劳裂纹，最终导致离合器弹簧疲劳 断裂 。二是离合器的回位弹簧弹性降低，弹簧受热 导致弹性降低 ；受压产生蠕变或永久变形。当回位 弹簧弹力减弱时，制动力矩下降，造成制动打滑 ， 最终导致离合器不能迅速脱离 。 f 3 离合器 内轴承损坏 如 图1 所示 ，离合器 内部有两个滚 子轴承 ， 是在摩擦片打滑或相对运动时发生相对滑动 的， 当离合器工作几年后 ， 由于摩擦离合器没有加 脂 孔 ，轴承处于无润滑状态 ，轴承发生运动时就 容 易导致轴承损坏，造成离合器损坏。 4 摩擦片破损失效 摩擦 片工作时必然会受压应力和剪切应力作 用 ，对于任何一种摩擦片材料 ，它 的许用压应 力 和剪切应力都是一定的。在气动离合器摩擦片工 作时 ，若它实际承受的压应力和剪切应力超过这 个定值时 ，摩擦片表面会 出现 “ 玻璃化 ”现象或 磨损破碎，必须更换。 4离合器摩擦片的国产化研究 离合器摩擦 片是安全 离合器 中的核心部件 ， 也是 易损部件 ，在使用一定时间后 ，必须进行更 换或修复 。而聚烯烃装置中挤压机离合器一般都 是进 口设备 ，进 口摩擦片不仅周期 长，且价格非 常 昂贵 ，因为 国外 供货 商 只接 受成 套离 合器 订 购 ，不接受单独订购摩擦片组件 。因此 ，摩擦式 安全离合器摩擦片的国产化是十分必要的。图3 为 摩擦片实物 图，图4 为摩擦片组件。 图3 摩擦片 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 3 8 一 ● 技术交流 石油和 化工 设备 2 0 1 6 年第1 9 卷 图4 摩擦片组件 4 ． 1 摩擦片材料 的选择 在摩擦 片国产化研制过程中 ，摩擦片材料 的 选择起 到关键作用 。摩擦片离合器 中最重要的部 件之一是摩擦副 ，而摩擦副包含 的是摩擦片与摩 擦片 的配对件 。摩擦片离合器传递扭矩的能力和 寿命 的长短是 由摩擦片材料、尺寸及摩擦 系数等 参数决定 的，所 以选择适当的摩擦片材料 是国产 化能否成功的关键。 摩擦片的材料一般要求 1 摩擦 片热稳定性要好 。 摩擦片应具备 的基本要求 ； 2 具有较大的摩擦系 数 。摩擦系数越高 ，摩擦 片的性 能越好 ，实际工 作 中发挥的作用越大； 3 较大 的比热容和密度 。 较大 的比热容和密度是保证摩擦片安全运行 的关 键 ； 4 系数； 5 不易燃烧 ； 6 良好的耐水、耐油 的性能； 7 耐磨、耐热、导热性好 ； 8 具有较好 的抗黏合性 。当摩擦片工作过程 中遇到较大的压 应力 时，与摩擦 内片不会发生黏结现象 ，以保证 离合器安全运行 ；f 9 具有足够 的强度 、硬度等 ； f 1 0 具有 良好的阻尼性，保证在工作频率下不会出 现共振现象。 目前 ，世 界范 围 内使用 较 普遍 的摩 擦 片材 料主要有两种类型 ，即石棉树脂和铜基粉末冶金 型 。铜基 粉末 冶金 型又 分为 片状 式和 浮动 嵌块 式。国产摩擦片材料主要有两种，一种为L Z 5 5 0 合 成板 型 橡胶树脂铜基粉末冶金型 ，另一种是 7 9 1 3 石棉橡胶 石棉树脂 。L Z 5 5 0 合成板 型材 料的主要化 学成分为 酚醛树脂、丁腈橡胶 、合 成陶瓷纤维 、灰硅石 、铜粉、铬铁矿粉 、适量 的 防老剂、催化剂等 。7 9 1 3 石棉橡胶的主要化学成 分为 丁苯橡胶 、酚醛树脂、石棉、长石粉 、炭 黑、铜丝、适量的防老剂、催化剂等。 国产7 9 1 3 石棉橡胶 I L Z 5 5 0 合成板 的主要性能 良好 的热稳定性是 参数见表l 。 表l 不同摩擦片材料的主要性能对照 项 目 H B P ／ M p a A k v J ． c m ‘ p／ g ． c m ’ 7 9 1 3 石棉橡胶板 0 ． 3 9 2 0 0 ． 5 ～l O ． 3 1 ． 4 L Z 5 5 0 合成板 O ． 4 2 2 8 1 0 ． 3 4 1 ． 5 近 几年 ，通 过 对进 口摩擦 片 材质 的检测 研 制 的7 9 1 3 石棉橡胶材料一般很少应用 ，虽然价格 较低 ，原 因为7 9 1 3 石棉橡胶板采用编织或模压法 制成 ，材料 内没有金属材料 ，成形后不但强度较 低 ，而且在与摩擦配合件工作时 ，摩擦系数会发 生变化 ，导致耐磨性偏低 ，加之 因国内环保的要 求 7 9 1 3 石棉 板磨 损产 生 的石 棉灰 尘对 人体 有 害，所以很少采用石棉橡胶板。国产L Z 5 5 0 合成 板强度高 ，且导热性好 、性能稳定又环保，更重 要的是它与离合器摩擦片的配合件材料QT - 5 0 0 的 抗黏着能力和磨合性都非常高。 4 ． 2国产摩擦片相关参数计算 离合器摩擦 片 国产化时，必须根据进 口离合 器技术参数 ，推算 国产摩擦片使用 的额定工作气 压和最大工作气压。 1 传递扭矩 的计算公式 2 K 2 轴向力公式 S P。 Fl f 3 I作气压计算公式 一兰 ． 篓 式中M ． 传递扭矩 ，N m；S一 轴 向力，N； i 一 摩擦面对数 若摩擦片为2 片 ，i 4 ；F一 摩擦系 数；D。 ． 摩擦片平均直径，m；K． 工作情况系数； P 。 一 仪表风压力 绝对压力 ，MP a 4 - 3国产摩擦片有关注意事项 1 在安装 国产摩擦片时 ，离合器整体必须进 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第1 期 吴现倍等 聚丙烯造粒机气动摩擦式联轴器研究 ． 3 9． 行动平衡。 2 国产摩擦 材料摩擦系数一般略高于进 口摩 擦 片，经计算后 的仪表风压力在操作时可 以稍微 降低 一点 依据现场实 际情况 ，这样可 以使离 合器的安全系数更高一点。 5气动摩擦片式离合器的安装 为保证挤压机摩擦离合器的正确安装，使其平 稳安全工作 ，安装人员必须仔细阅读进 口离合器随 机资料中的安装说明。说明书中重要的两点是 1 安装前 ，必须监测主齿轮箱侧 、主 电机侧 两轴 的对中情况，如 图5 所示，在两轴 的径向跳动 最大允许值为0 ． 0 5 mm，轴 向跳动最大 允许值为 0． 05 I n l T l 。 图5 摩擦片离合器安装前干分表测量 2 安装后 ，必须对离合器 的径 向跳动和轴 向 跳动进行复查 ，如图6 所示 ，其中径 向跳动不应超 过0 ． 1 5 mm，轴向跳动不应超过0 ． 3 5 mm。 6 结语 气动离合器是 聚烯烃装置挤压机 中一个非常 重要的部件 ，必须引起重视 ，并加强监控 ，深入 了解其原理并分析故障。离合器 的性能和运行状 图6 摩擦片离合器安装后干分表测量 态制约着大机组挤压机 的运 行，关系到整个聚烯 烃装置 的安、稳 、长、满 、优运行 。气动离合器 的型号和类型很多，务必根据生产 的要求和设备 的实际情况 ，精心安装 、严密操作 ，才能保证气 动离合器安全 有效地工作 。国产化摩擦片时，仪 表风的管理系统是气动离合器 的关键 ，必须通过 实验计算才能给定气压 。 ◆参考文献 [ 1 ]阮忠唐． 联轴器、离合器设计与选用指南[ M] ． 北京化学 工业出版社 ，2 0 0 6 ． [ 2 】 施高义． 机械设计手册第3 卷 联轴器离合器与制动器 【 M] E 京机械工业出版社，2 0 0 7 ． 【 3 ] 吴正军，叶小春． 造粒机摩擦离合器及国产摩擦片[ J 】 ． 化工 机械 ，2 0 0 7 ，3 4 2 1 0 7 1 0 9 ． [ 4 ] 颜 志武 ，刘玉玲． 气动离合器扭矩的选取及克服打滑的措 施[ J ] ． 砖瓦，1 9 9 3 ，2 9 3 1 6 [ 5 】 崔悦． 浅析大型挤压造粒机组主驱动联轴器的应用[ J ] ． 石油 化 工设备技术 ，2 0 0 8 ，2 9 1 3 5 3 8 ． [ 6 】 徐益军． 挤出机安全离合器摩擦片的国产化研制[ 刀 ． 化工设 备与管道，2 0 1 2 ，4 9 2 4 2 - 4 7 ． [ 7 】 美 希格利 ， 美 米什克主编 ，河海大学机械学院 译． 机械设计通用手册[ M] 匕 京机械工业出版社，1 9 9 3 ． 上接7 5 页 2防海生物装置选型设计的建议 基于上述综合对 比，三 种常用 电解 防海生物 装置各有优缺点 ，可扬长避短 ，根据实际情况选 用 。对于海水用量大 的中心平台 大于1 2 0 0 ～ 1 5 0 0 m。 ／ h ，可选用 电解海水 次氯酸钠系统 防海 生物装置 ，防止 了金属铜对海洋 的污染，同时减 少 了铜 、铝的用量 ；其次可选用氯。 铜铝 电极棒系 统 ，可减少金属铜对海洋的污染 。对于小的井 口 平 台，海水用量小，可选用氯一 铜铝 电极棒系统或 单一 的铜铝 电极棒系统 ，电极棒系统平时不需要 维修，特别适合无人驻守平台采用 。 ◆参考文献 [ 1 ]高国权． 海上油 气田工程设计指南[ M] 京石油工 业 出版社，2 0 0 7 ． [ 2 ]2黄宗 国，蔡如星，海洋污损生物及其防除[ M] ． 北京海洋 出版社，1 9 8 4 ． [ 3 ] D e p a l ma J ．R ． ， F o u l i n g ， Ma ri n e We a t h e r L o g ， 2 1 ， 7 ， 1 7 ， 1 9 7 7 ． [ 4 ] 粱国栋，刘玉娟． 海水系统防海生物装置的设计原理与比 较分析[ J ] ．船电技术，2 0 0 6 ，2 6 3 5 9 6 2 ． [ 5 ]5朱相荣，王相润． 金属材料的海洋腐蚀与防护[ M] ． 北京 国防工业 出版社，1 9 9 9 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m