楊振宇

（岳陽林紙股份有限公司，414000）

 

摘　要：介紹了化機漿關鍵設備MSD斷裂情況，從載荷、化學成分、力學性能、金相、強度等方面對斷裂的成因進行分析，并使進口設備的備件實現(xiàn)國產化。

國內條楊木PRC-APMP生產線于2003年在岳陽林紙投產。系統(tǒng)中有2臺MSD400木片擠壓機，用以對預浸前的木片進行脫水和擠壓撕裂，使木片成束狀、絲團狀，然后與藥液在預浸器中充分完成滲透作用，以便于磨漿。其核心部件—擠壓螺旋軸，在使用中時有斷裂，其它紙廠也發(fā)生類似事故（據(jù)不完全統(tǒng)計發(fā)生斷軸30多起）。我們就螺旋軸的斷軸成因進行了分析，并對其參數(shù)進行改進，實現(xiàn)備件國產化配套。

 

1　螺旋軸的載荷特點及斷口位置

 

1.1使用工況及載荷特點

 

該軸為變截面軸。工作段Z細處φ210mm，Z粗處φ364mm，長度3623mm。表面帶有焊接葉片，葉片外徑φ400mm，木片擠壓比為1:2.8，見圖1。

圖1　木片擠壓螺旋的構造

 

螺旋軸按功能可分為輸送段、壓縮段、光軸料塞段。

圖2　螺施軸功能區(qū)

 

  料塞段設計成沒有葉片的光軸，木片經(jīng)過擠壓撕裂后在此處形成結實的料塞。其作用一方面封住浸漬的藥液，同時也成為支撐螺旋軸懸臂的支點。這樣該軸前端由軸承支持，后端由料塞支撐，同時通過轉動將撕裂的木片擠壓進預浸器。

 

由此可以看出該軸承受以下的交變載荷：

 

l 沖擊極大的波動扭轉載荷

 

由于軸上的螺旋葉片是不連續(xù)的，從軸端面看有大約90°間隔，并且間隔的相位一致，這樣軸在轉動過程中壓緊木片時，會受到極大的沖擊扭轉載荷，另外軸上6個疏解條也產生沖擊扭轉載荷。具有沖擊性的波動扭轉載荷會使螺旋軸產生較大的扭振現(xiàn)象，反過來更增大了扭轉應力的均值及尖峰值。

 

從螺旋軸的結構可以發(fā)現(xiàn)輸送段由于直徑Z小，故該段的扭轉應力Z大。尤其是輸送段與壓縮段的交匯處還會出現(xiàn)應力集中。    

 

l 極不均衡的波動彎曲載荷

 

由于軸上的螺旋葉片的不連續(xù)，在壓縮段會產生周期性的波動彎曲載荷，而木片的緊實程度不均勻以及料塞段木片支撐的不穩(wěn)定會產生周期性雜亂。

 

因此，該螺旋軸既承受波動扭轉載荷又承受波動彎曲載荷。

 

l 波動軸向壓縮載荷

 

1.2斷口位置

 

從螺旋軸的受力分析可以發(fā)現(xiàn)，由于輸送段直徑Z小，扭轉應力Z大。在壓縮段彎曲應力Z大，由于該段直徑大故扭轉應力反而較小。

 

故斷口位置出現(xiàn)在輸送段或壓縮段都是是合理的，首先出現(xiàn)在哪里取決于軸本身的缺陷和使用的工況（木片的硬度、密度、藥液的均勻度等等）。

 

2 螺旋軸宏觀斷口分析

 

焊層表面光滑，形成連續(xù)較規(guī)則的焊波。焊道大約與橫向截面（φ300）成30°。表面有長短不一，間距不等的裂紋。螺旋軸外表面存在較大的磨損，自外圓面按焊層現(xiàn)存厚度大致分為四區(qū)，即1-2-3.3-2mm。其中δ＝1mm區(qū)較小約80°，δ＝2mm較寬約90°～100°，δ＝3.3m區(qū)約80°，而φ400的出料端因堆焊層為環(huán)向，裂紋為軸向和環(huán)向。其外表成瓦塊狀，幾十毫米不等，見照片（圖4）。

在δ＝1mm區(qū)域，外圓磨損嚴重。其堆焊波紋已基本磨平，僅保留下焊道間“溝”區(qū)。且表面磨出深約0.1mm（估計）環(huán)向溝。在δ＝3.3mm區(qū)域則基本不見，且堆焊波紋完好。

斷口距葉片進料端約50mm。

本分析的斷裂螺旋軸斷口位于直徑本體φ300mm處，屬于壓縮段的高壓區(qū)，斷口圖3。

 

圖3斷口照片

 

如圖3所示，斷口分為兩區(qū)：

 

l 外層的堆焊層區(qū)

 

     堆焊層斷裂成外表環(huán)狀區(qū)。厚度1～3.3mm不等，Z厚處位于距葉片頭右旋約80mm（表面量）。δ＝1mm附近的外圓面已嚴重磨損，焊波磨平，且出現(xiàn)環(huán)向約0.1mm的溝。該區(qū)域的裂紋起源于焊后造成的焊接裂紋。在表層焊接過程中，其徑向溫度梯度較大，使得在加熱與冷卻過程其溫差應力較大，從而形成殘余應力。在工作應力疊加下，形成堆焊層裂紋擴展。

 

該區(qū)域的裂紋大體分兩類；一類是焊接后形成，有徑向撕裂紋，已見到的Z大深度約2mm。另一類裂紋相對平坦，表面灰色，帶有一定“纖維”狀的塑性，顏色深于外圓面（外圓面經(jīng)過全程磨損）。從斷口及金相上可見到徑向裂紋在使用中不斷擴展，Z深約40mm，金相上可見裂紋沿鑄造缺陷及晶界發(fā)展（非全部，見后面金相組織照片）。這一區(qū)由于焊后殘余應力較高，形成外圓面上螺旋狀裂紋，工作后又疊加上剪應力及彎曲應力，使堆焊層經(jīng)歷應力腐蝕和腐蝕疲勞（這時應力脈動相對較小）。由于軸頸較大，再加上軸本體與耐磨層性質不同，環(huán)向斷口的工作處于平面應變狀態(tài)，裂紋經(jīng)橫向發(fā)展，直到Z后全環(huán)面的斷裂。

 

斷口上有點狀腐蝕產物，形態(tài)平坦，顏色略深。

 

由于彎曲應力較小，未見擠壓痕跡。總體上其擴展周期相對較短。

 

結論：該區(qū)域的裂紋由表面堆焊產生的應力腐蝕以及使用過程的腐蝕疲勞形成。

 

l 向內的第二區(qū)為螺旋軸本體斷裂區(qū)

 

疲勞源區(qū)由相距約90°兩區(qū)構成，每區(qū)又由4～5點疲勞源構成。疲勞源位于本體材料表面，源區(qū)深度Z大約20mm，表面因擠壓而發(fā)白。再向前是條條弧形線，直到約50mm左右匯合，再整體向前發(fā)展，進入快速擴展區(qū)。在匯合中可見介質的作用，表面成灰色。擴展區(qū)可見纖維狀斷口，直到Z后約80mm（徑向到對面）進入Z終快速斷裂區(qū)（終斷區(qū)），其弧線間距明顯加大，裂紋擴展速度加快。這些弧形線稱為裂紋前沿線，是應力劇烈變化的標志。由于裂紋加大，靜截面不斷減小，工作應力不斷上升，振動加大，附加應力快速上升造成，繼續(xù)擴展就到終斷區(qū)。由于腐蝕關系，這里將Z后快速擴展，比如每周近1毫米。

 

量級擴展等歸結終斷區(qū)，它不像空氣中斷裂有明顯邊界。該斷裂區(qū)斷口為典型的貝殼狀花樣，是典型的疲勞斷裂特征，初始斷口與φ300mm平面成約20°，逐步轉成與軸線垂直的平面，這正是彎曲應力不斷上升而剪應力退居次位的結果。

 

    該段承受扭轉和彎曲應力，以及軸向擠壓應力。彎曲應力的來源主要是軸的自重及支點的不穩(wěn)定造成的附加應力。由于螺旋軸不連續(xù)葉片結構，螺旋軸上無葉片與有葉片相位差近90°，使得兩彎曲方向抗彎截面相差近2倍，造成螺旋軸的彎曲應力和撓度在兩個方向的極大不同，這正是軸Z終斷裂向葉片頭這一方向靠攏原因，同時也是軸承受的彎曲應力巨大波動的一個原因。

 

在軸轉動過程中裂紋隨轉動而閉合張開，藥液除對裂紋尖端有腐蝕作用外，還在裂紋閉合時產生巨大的內壓，對裂紋兩側形成軸向拉應力，隨著裂紋深度加大，腐蝕介質的力學作用越來越大，尤其對裂紋尖閉合與張開，使軸向應力的上升,這加速了裂紋擴展。

 

該區(qū)域除疲勞源區(qū)約20mm處為明亮色，向外成灰色證明了腐蝕作用。

 

結論：該區(qū)域的斷口由彎扭復合腐蝕疲勞造成。

 

3　MSD國產化效果

 

通過對斷軸原因的分析，我們針對性地采取技術措施，進行國產化改造。改造后設備從2016年上半年運行至今，效果非常理想，平均日產能提高了10%。