非标成型设备挤条机的改造综述

（中石化催化剂北京（有限）公司生产运行一部，北京 102500）

悬臂柱塞式挤条机，为催化剂颗粒载体成型专用设备，为非标设计制造的重载设备。该设备存在的主要问题是设备本身非标零件多，非标零件损耗量大，设备故障率高； 同时设备在挤出成型过程中，废料产生量大。在当前绿色经济的大环境下，对该设备进行了一系列综合改造，使之成为环境友好的设备。

挤条机主要由传动系统、切粒系统和控制系统组成[1]。传动系统由快速电机和慢速电机分别驱动，当快速电机运转时，电机通过皮带轮带动1∶16 的蜗轮蜗杆减速机，再带动传动比为1∶3 的齿轮组，进而从动齿轮传动丝杆在铜螺母中作直线运行，推动活塞空载前进。当运行到中间位置时，离合器自动咬合，切换为慢速电机运转，慢速电机带动1∶20 蜗轮蜗杆减速机，再带动1∶16 的蜗轮蜗杆减速机，即以理论传动比1∶320 的低速运行，再带动传动比为1∶3 的齿轮组运行，同样从动齿轮传动丝杠在铜螺母中作直线运行，推动活塞负载前进。正常操作时，将坯料先行装入缸筒，再令挤条机活塞从尾部快速前进至中间位置，自动切换为慢速前进，物料被活塞推动通过缸筒时，受压成型挤出长条。切粒系统由飞刀电机和飞刀构成，即在长条物料被挤出的同时，飞刀电机旋转带动刀盘，刀盘上刀片将长条物料切下，加工出圆柱状催化剂颗粒。传动系统和切粒系统配合，可以达到20 kg/h 的产量。而控制系统则是通过电气控制达到活塞自动前进、后退和自动切换空载、负载挤出物料以及切粒飞刀旋转切料的要求。挤条机的机械设计原理十分巧妙，每个部件的配合必须准确到位，才能安全稳定运行。挤条机的主要部件分别为丝杆、铜螺母、拉臂光杠、横梁压板、缸筒及支腿、机架及传动减速机构、飞刀切粒等。传动原理见图1，电机转动，通过螺母丝杆将旋转运动转变为直线运动，推动活塞头前进。传动电机分为快速电机和慢速电机，快速电机的功能为不承载挤压负荷时的快速前进和快速后退，慢速电机为承载挤压负荷时的慢速前进和慢速后退[2]。

1 挤条机改造前存在的问题

快速电机频繁烧毁，设备故障率高，非标备件损耗大，电气元件损坏量大，挤出废料多。挤条机在推进时，初期是空载前进，因此为快速电机带动丝杆作直线运行，当运行到中间光电感应开关位置时，切换为慢速前进，重载运行，当物料在缸筒内完全挤出后，就会由慢速前进切换成快速后退，将活塞从缸筒中退出，使下一个坯料可以装填进缸筒。在反复快慢切换过程中，经常发现快速电机烧毁的情况。另外，柜内有几十个继电器动作，电气故障率高，发生故障后排查困难。再就是在处理故障时，物料在缸筒内存留时间长，物料变干，或配方调整时，物料性能发生变化，物性差，不能再挤出合格产品，造成大量废品产生。

2 解决设备长周期稳定运行问题

2.1 解决快速电机频繁烧毁问题

图1 挤条机传动原理简图Fig.1 Schematic diagram of the drive principle of the extruding machine

挤条机快速电机型号为YE2-100L2-4，功率3 kW。正常情况下，挤条机快速电机是在轻载状态下运行，即快速电机带动减速比为1∶16 的WHX 型蜗轮蜗杆减速机，传动齿轮、铜螺母，带动丝杆作直线运行。慢速电机是在重载状态下运行，即对物料进行挤压成型，慢速电机带动减速比为1∶20 的蜗轮蜗杆减速机后再通过离合器接通上述1∶16 的减速机，使理论速比达到1∶320 的情况下带动传动齿轮、铜螺母、丝杆进行重载推进。一般情况下，快进或快退时不挤压物料，即快进或快退为轻载，不应该出现电机频繁烧毁的情况。根据反复观察，并对机械和电路分析，查到了问题所在。以快进为例，参见电气原理（如图2所示），电气回路在接到快进的指令后，中间继电器J5 和J6 动作，快速电机正转，同时气缸电磁线圈得电，命令气缸向前推，拉杆向后，离合器脱开。这两个动作在电气回路中是同时进行的，因此就存在实际动作竞争的风险，即：快速电机已经开始运转，但气缸带动拉杆并没有同时脱开离合器，造成减速机反向传动，蜗轮带动蜗杆，瞬间锁死，电机烧毁。在2018年8月至2019年8月期间，挤条机烧毁快速电机20 余台次。分析原因主要为拉杆固定设计不合理，为特制单头螺栓作为受力点，不能顺畅脱开离合，如图3所示；拉杆与离合器配合是靠铜滑块，反复动作后，铜滑块磨损严重，使拉杆作用力不能有效传递给离合器，造成离合器脱不开。

图2 电气原理简图Fig.2 Electrical schematic diagram

图3 拉杆固定方式不合理，离合器在合位Fig.3 Unreasonable fixing mode of pull rod，clutch in closed position

2.2 解决设备故障率高的问题

2.2.1 改变电气控制方式

电气控制改为PLC 控制，增加综保控制，减少柜体内继电器数量，降低故障率。改为PLC 控制后，控制柜内电气元件减少，柜体发热量降低，故障率明显减少。同时保护功能投入增加，热过载、堵转、起动超时、单相接地、断相、电流不平衡、欠电压、过电压等均可投用，对设备起到了有效的保护作用。改造前后的电气柜对比参见图4，左为改前，右为改成PLC 控制后。

图4 配电柜改造前后对比 Fig.4 Comparison of distribution cabinet before and after transformation

2.2.2 改变特制单头螺栓连接的方式

取消原特制单头螺栓的连接方式，改为在减速机一侧焊接两个半圆的板，板上打孔，与拉杆之间用一两头圆孔的压板连接，两边都是普通螺栓连接，如图5所示。这样，原来单边受力、生拉硬拽的情况不存在了。压板在两个螺栓孔之间可以自由运动，成为铰链机构，使拉杆在花键轴上的运行更为自如，降低离合器脱不开的风险。同时，原来单头螺栓受力状态不好，经常折断，月平均消耗单头螺栓近60 个。改后，不需要再备特制单头螺栓，且连杆上部的气缸伸出轴受力得到改善，气缸断轴情况大大减少，由原来月均消耗10 个降为月均消耗2 个。改造后只需要检查压板连接后两边的圆弧面有无卡阻即可，减少了检修时间，也节省了大量的备件费。

2.2.3 改变铜滑块的受力

在铜滑块侧面打两个油孔，加入二硫化钼，如图6所示，使铜滑块在离合器卡槽内与拉杆接触中形成油膜，更有利于拉杆动作。图6中，左边和中间的两个铜滑块是没有油孔的磨损情况，非常严重，右边的是有油孔的，磨损小，拉杆动作也顺畅。经比较，原来10 台挤条机月均消耗铜滑块近100 个，改造后10 台挤条机月均消耗铜滑块40 个，节约了大量的检修费用和备件费用，为环境保护做出贡献。

图6 改造前后的铜滑块对比Fig.6 Comparison of copper slider before and after transformation

3 解决废料多的问题

因为物料在挤出后受重力作用下垂，使得飞刀切料过程中切到的是打了弯的物料，产生的废料就多。通过在挤出头处加长一段护套，使得物料受到一定的托举，同时当物料行程增加后，物料内部水含量降低，挤出的物料不再打弯，产生的废料大量减少。如图7所示，上面为改造后加长的挤出机头，下面为未加长的。

图7 改造前后挤出机头对比Fig.7 Comparison of extruder head before and after modification

自2019年8月改造后，10 台挤条机一直运行平稳，按一年计可节约和减少的固废处理量如表1所示。

表1 挤条机改造前后减少固废处理量对比表Tab.1 Comparison of spare parts and waste before and after the modification of extruder

4 结束语

通过上述改造可以看到，对非标重载的悬臂柱塞式挤出机，通过对其机械结构的彻底分析，对其电路控制和机械动作之间关联的判断，可发现设备问题的根源，并通过多种办法对其进行解决。最终不仅可以使设备长周期稳定运行，也能减少相关备品备件的消耗，更减少了大量工艺废料的产生，为绿色经济、节能环保做出了贡献。