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，其它紙廠也發生類似事故（據不完全統計發生斷軸30多起）。我們就螺旋軸的斷軸成因進行了分析，并對其參數進行改進，實現備件國產化配套。

 

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

 

  料塞段設計成沒有葉片的光軸，木片經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現輸送段由于直徑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，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現，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。

 

故斷口位置出現在輸送段或壓縮段都是是合理的，首先出現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，形成連續較規則的焊波。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，自外圓面按焊層現存厚度大致分為四區，即1-2-3.3-2mm。其中δ＝1mm區較小約80°，δ＝2mm較寬約90°～100°，δ＝3.3m區約80°，而φ400的出料端因堆焊層為環向，裂紋為軸向和環向。其外表成瓦塊狀，幾十毫米不等，見照片（圖4）。

在δ＝1mm區域，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。且表面磨出深約0.1mm（估計）環向溝。在δ＝3.3mm區域則基本不見，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，斷口圖3。

 

圖3斷口照片

 

如圖3所示，斷口分為兩區：

 

l 外層的堆焊層區

 

     堆焊層斷裂成外表環狀區。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，且出現環向約0.1mm的溝。該區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展（非全部，見后面金相組織照片）。這一區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，環向斷口的工作處于平面應變狀態，裂紋經橫向發展，直到Z后全環面的斷裂。

 

斷口上有點狀腐蝕產物，形態平坦，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 向內的第二區為螺旋軸本體斷裂區

 

疲勞源區由相距約90°兩區構成，每區又由4～5點疲勞源構成。疲勞源位于本體材料表面，源區深度Z大約20mm，表面因擠壓而發白。再向前是條條弧形線，直到約50mm左右匯合，再整體向前發展，進入快速擴展區。在匯合中可見介質的作用，表面成灰色。擴展區可見纖維狀斷口，直到Z后約80mm（徑向到對面）進入Z終快速斷裂區（終斷區），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，繼續擴展就到終斷區。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，它不像空氣中斷裂有明顯邊界。該斷裂區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定造成的附加應力。由于螺旋軸不連續葉片結構，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。

 

該區域除疲勞源區約20mm處為明亮色，向外成灰色證明了腐蝕作用。

 

結論：該區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%。