化工装置中搅拌机摆动现象的讨论

武小杰

中国天辰工程有限公司上海分公司（上海 200233）

化工装置中搅拌机摆动现象的讨论

武小杰

中国天辰工程有限公司上海分公司（上海 200233）

讨论了化工设备混合罐的机械搅拌设备在设计选型、施工安装及调试生产过程中可能产生摆动的原因以及克服这些摆动应该注意的事项。以工程中某公司液、固工况下悬臂轴搅拌机出现明显摆动的现象为例，阐述了从问题提出到问题解决的全过程。

搅拌机摆动悬臂轴

0 前言

搅拌机是使液体、气体介质强迫对流并均匀混合的器件。机械搅拌机是化工生产装置中最为普通和关键的设备之一。为了满足不同的生产工艺要求，搅拌机的型式分为很多种。不同型式的搅拌机其设计参数、制作参数和运行参数都不尽相同。本文主要讨论悬臂轴搅拌机，其余型式的搅拌机仅供参考。

每台搅拌机从初始设计到最终实现功能，一般经过以下几个环节：设计选型、制作加工、运输、安装、调试、生产运行维护等。每个环节对搅拌机的最终使用效果都会产生重要影响，本文将详细讨论在以上各个环节中，可能导致搅拌机摆动的因素以及预防与纠正措施。

搅拌机的摆动与振动有本质区别，机械振动是物体或质点在其平衡位置附近所作的往复运动。振动的强弱用振动量来衡量，振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。机械振动在动设备运行过程中普遍存在。搅拌机的摆动是由搅拌轴本身及其附件（如搅拌叶等）质量的不均匀性产生的离心力以及被搅拌流体形成的水平推力所造成的，摆动会影响搅拌轴的强度以及轴承的寿命。

1 机械搅拌设备摆动的分析和讨论

1.1 搅拌设备在设计选型时的注意事项

在各种设计手册或参考书中均有搅拌机各个部分的设计原则和依据，但是要进行设备的总体设计，首先必须分清设计参数确定的先后顺序,以免引起前后矛盾，导致重新设计。

搅拌器的设计选型要与搅拌作业目的紧密结合。各种不同的搅拌过程需要由不同的搅拌器运行来实现，在设计选型时首先要根据搅拌作业的目的和要求，确定搅拌器型式、电动机功率、搅拌速度，然后选择减速机、机架、搅拌轴、轴封填料函等各部件。其具体步骤如下：

（1）按照工艺条件、搅拌目的和要求，选择搅拌器型式。选型时应充分掌握搅拌器的动力特性和搅拌器在搅拌过程中所产生的流动状态与各种搅拌目的之间的因果关系。

（2）按照所确定的搅拌器型式及搅拌器在搅拌过程中所产生的流动状态，工艺对搅拌混合时间、沉降速度、分散度的控制要求，通过实验手段或计算机模拟设计，确定电动机功率、搅拌速度、搅拌器直径等参数。

（3）按照电动机功率、搅拌转速及工艺条件，确定减速机机型。如果按照实际工作扭矩来选择减速机，则实际工作扭矩应小于减速机许用扭矩。

（4）按照减速机的输出轴头d和搅拌轴系支承方式选择与d相同型号规格的机架、联轴器。

（5）按照机架搅拌轴头d0尺寸、安装容纳空间及工作压力、工作温度、工艺要求选择密封形式。

（6）按照安装形式和结构要求，设计选择搅拌轴结构型式，并校核其强度、钢度。如按刚性轴设计，在满足强度条件下n/nk≤0.7；如按柔性轴设计，在满足强度条件下n/nk≥1.3。

（7）按照机架的公称尺寸DN、搅拌轴的搁轴型式及压力等级、选择安装底盖、凸缘法兰。

（8）按照支承和抗振条件，确定是否配置辅助支承。

设计选择步骤中前两步属于搅拌工艺设计范畴，后六步属于搅拌器结构设计范畴。

鸢尾属均可进行分株繁殖，通常每2-3年进行一次，可以在每年的4-5月或者10-11月进行，分割根茎时，每株应有2-3个芽，并将老残根茎剪去，以利于新根发根萌发，然后按株行距20×20cm，深度20cm栽植。先将基肥施入坑中，略盖细土，然后栽植，栽后覆土4-5cm，压实，浇透水。分株后生长旺盛，多年不进行分株的生长势减弱，开花数量少，花径小。分株法具有生长快、方法简便等优点，是鸢尾繁殖中多采用的繁殖方式。

其中，影响搅拌设备摆动的环节有搅拌机的型式选择、确定搅拌桨转速、确定搅拌装置电机功率、设计搅拌轴等。搅拌机的型式直接影响搅拌效果和流体对搅拌设备的作用力，进而影响整个搅拌机的设计计算，是搅拌机设计最为关键的一步。很多搅拌机制作厂通过设计不同的搅拌机型式来改变搅拌设备的选型，进而使价格更具竞争优势。搅拌桨转速越低搅拌效果越好，设备运转越平稳，但所需搅拌功率越大。搅拌轴的强度、刚度、临界转速是设计搅拌轴需要考虑的因素，对于抵消被搅拌流体的反作用力来说，搅拌轴的强度和刚度也起到了关键作用。反作用力如果不能及时抵消，就会导致搅拌设备的摆动。通过加粗轴径，缩短轴的长度，增加搅拌轴的支撑点（如增加一个中间轴承）可以减少其摆动量。

机械搅拌设备的设计选型是否合适直接影响到机械设备的摆动程度，是机械设备摆动的内因所在。要想从根源上杜绝机械设备的摆动现象，必须严格按照相关的标准规范做好搅拌设备的设计选型。

1.2 搅拌设备在制作加工过程中的注意事项

搅拌机的制作是一个复杂的过程，电机、减速机、轴承、联轴器、机械密封、轴、桨叶等都必须满足国家和行业的制作规范要求，严格按照设计选型结果进行制作和外购件的购买，并于出厂前严格检验，各项指标均达到标准后方能合格出厂。搅拌轴及其附件的质量不均匀需通过相应的静平衡和动平衡试验来验证，轴的直线度在出厂前需要再次校验并达到要求。

1.3 搅拌设备在运输、安装过程中的注意事项

搅拌设备一般都是零部件运输，到达装置现场后经过专业安装方能调试使用。零部件的运输必须符合国家有关规定和规范要求，应满足防潮、防雨、防锈、防含盐空气、防水喷溅、防碰撞、坚固牢靠。尤其是搅拌轴的运输过程，一定要包装牢固，多支点固定，防止轴的弯曲变形。

搅拌机是化工装置中的关键机械设备，其安装质量的好坏直接影响装置的运行，某些装置的搅拌机由于安装质量问题，导致机械密封泄漏，设备运转不稳定，振动和摆动明显，造成严重的后果。搅拌机的一般安装步骤：（1）设备开箱检验；（2）安装法兰座水平度复查；（3）搅拌轴安装；（4）搅拌机座（包括密封、轴承）安装；（5）搅拌叶轮安装；（6）齿轮箱安装；（7）电机安装；（8）搅拌轴摆动量复查；（9）底部轴承支架调整固定；（10）密封系统安装；（11）其它附件安装。

搅拌机安装在容器的顶法兰面上，为了保证搅拌轴的垂直度，容器安装时必须以顶法兰找水平为原则，对容器进行找正。搅拌机安装前必须复查所在容器的顶法兰水平度，并达到允许偏差要求。轴安装完毕后，用百分表在轴端对搅拌轴摆动量进行检查，当摆动值在被测轴长的1/1000以内时，处于合格范围内；当超标时要从上到下逐段连续检查，在弯曲点使用专用工具进行调直，直到符合要求。在整个安装过程中，应该注意对零部件的保护，避免设备的磕碰和变形。其他安装过程同样要达到相关规范要求。

1.4 搅拌设备在调试、生产运行中的注意事项

搅拌机的调试和试运行必须符合相应的标准规范，制定相应的方案和计划，并严格按照该方案和计划实施。试运行前，检查各环节是否具备试运行条件，在运行过程中检查振动值、轴承温度、异常声响及密封泄漏情况，若有异常应立即停止试车，分析原因并处理后重新试车。

生产过程中要制定搅拌机操作规程，并严格按照规程操作，定期巡检，维护和保养设备。生产过程中一旦搅拌机出现摆动，应立即停止其运行，并分析可能产生摆动的原因：（1）工艺流程存在波动导致搅拌物流波动很大，使搅拌器出现运行不平稳状况，导致摆动发生；（2）搅拌机本身是否出现故障，轴承、轴、浆叶、机械密封、减速机等关键部件是否正常；（3）外在的其他因素，如电网、操作不当等。分析并处理问题后，方能继续运行。

2 机械搅拌设备摆动的实例分析

在某化工工程项目中，出现了搅拌设备摆动的现象，其他运行指标正常。具体事例描述如下：某物质浆料混合罐搅拌器运至现场，安装完毕后在没有正式物料的情况下，装水试运转，搅拌机出现明显摆动现象。搅拌机为立式单层浆式悬臂梁搅拌器，桨叶直径1 905 mm，轴粗100 mm，轴长3 600 mm，转速44 r/min，电机功率7.5 kW。

搅拌机出现摆动现象后，立即组织相关工程师和专家进行了现场检查和问题讨论。

（1）首先对设备的安装进行了复查，最终结果是各项安装指标均符合相关规范要求，进而排除了安装偏差因素的影响。

（2）对轴的直线度进行了复验，发现轴的直线度出现了轻微偏差。对轴进行了校直处理，再次进行试运转，发现搅拌机的摆动现象没有明显消除。说明还有其他因素导致搅拌机的摆动。

（3）对搅拌机的设备资料进行了核查，发现搅拌机轴和桨叶装配后的质量平衡试验没做。

（4）专家讨论后认为还有几种可能导致摆动现象出现的因素。如：搅拌轴为刚性悬臂轴，轴承端两固定轴承的距离太近；轴粗100 mm，可能设计过细；桨叶1905 mm的直径过大，导致浆料的反作用力太强；电机功率偏低等。综合考虑后，最终处理办法为：要求搅拌机厂对该设备进行重新计算和设计，将搅拌机桨叶直径切削40 mm，但要保证工艺的搅拌效果要求；切削后进行轴和桨叶装配后的质量平衡试验，并达到规范要求。安装试运转后发现摆动现象明显消弱，但还是存在轻微摆动。

针对电机功率偏低、轴径偏细以及两固定轴承距离太近等问题，由于已是成品设备，不好进行本质上的修改，故没有做处理。

综上所述，本案例的解决方法是，首先排除安装因素的影响，对轴的直线度进行校直处理，之后对桨叶直径进行切削处理，并进行了轴和桨叶装配后的质量平衡试验，最终使搅拌机的摆动现象基本消除。

3 结语

对目前化工装置中普遍存在的搅拌装置的摆动现象做了较深入的讨论，并举例进行了分析。总之，搅拌机出现摆动现象，说明搅拌机内部存在质量缺陷，搅拌机的摆动不是单一因素作用的结果，要从根本上杜绝搅拌机摆动现象的发生，必须在搅拌机的设计选型、制作加工、运输、安装、调试、生产运行维护等各个环节中，严格按照安装标准与规范执行。

除以上讨论内容对搅拌机的摆动有影响外，还可能存在造成搅拌机摆动的其他因素，如与搅拌机连接的设备不稳定、设计强度或刚度不够，导致对搅拌机的支撑力度不够；工艺流程不稳定造成对搅拌机的运行产生不规则冲击作用，致使搅拌机运行不稳定，出现波动现象等。

CAS与捷克布拉格联盟签署合同，研究人员可无限制使用SciFinderTM检索信息

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通过此次合作，布拉格联盟组织的成员们将利用全球科学家首选的化学信息检索工具SciFinderTM，对世界最大和最全面的化学信息库进行不受限制的检索。据悉，联盟组织内除了化学领域的研究人员能够轻松获取独一无二的研发内容，包括来自生物化学、生物学及其相关生物科学、药学、药理学、法医、物理、医学和牙科、生物医学工程以及材料科学的研究人员都能够使用SciFinderTM。

（Grace）

Discussion on Swing of Mixer

Wu Xiaojie

Discussed the factors in design,selection,installation and commission of mechanical mixing device applied on chemical mixing tanks that may lead to shaft swing,and introduces the points for attention to avoid the swing.Taking an industrial cantilever shaft mixer as an example,which showed obvious swing under liquid-solid mixing condition,presented the whole process of problems posing and problems solving.

Mixer;Swing;Cantilever shaft

TQ051.7

2014年2月

武小杰男1984年生助理工程师在职研究生主要从事化工装置中动设备的研究