预洗涤塔振动装置故障原因分析及解决措施

谷海明，潘继斐，胡 彬

（云南磷化集团海口磷业有限公司，云南 昆明 650113）

云南磷化集团海口磷业有限公司白酸厂2012年建成投产1套湿法磷酸净化装置，主要任务是生产工业级净化磷酸。装置分为净化和浓缩2个工序。影响净化磷酸品质和产量的因素较多，但核心在净化工序。预洗涤塔是净化工序控制产品指标的关键设备，其工作方式：由安装在塔顶的振动装置通过主轴带动塔内件以一定频率做上下往复运动，促使塔内两相介质充分混合洗涤，达到工艺指标控制要求。预洗涤塔振动装置由电机、减速机和偏心组件等组成。

预洗涤塔装置建成投用后其功能基本能满足工艺生产要求，但塔顶振动装置故障率较高，振动装置发生故障后，不能带动塔内件上下运动，会明显降低设备洗涤能力，影响产品指标；同时塔内物料因没有搅动，沉积结垢速率加快，引起塔内件堵塞，明显缩短净化工序运行周期，降低净化磷酸品质和产量。因此，降低预洗涤塔振动装置故障率，成为提高净化磷酸品质和产量的一个亟待解决的问题。

1 振动装置故障原因分析

结合2013—2015年湿法磷酸净化装置运行实际情况，预洗涤塔振动装置故障主要表现在3个方面：一是偏心飞轮组件主轴易断裂（1年断裂约8次）；二是电机和减速机寿命短，主要是配合处键槽损坏；三是偏心主轴中间滚动轴承易损坏（1年损坏约4次）。

1.1 偏心飞轮组件主轴断裂原因分析

湿法磷酸净化工序还配套建设有3台与预洗涤塔结构完全一致的塔设备，其运行情况表明只要定期维护保养，除预洗涤塔振动装置外，其他振动装置在运行过程中基本不会发生故障，这表明该振动装置结构形式在设计上是可行的。预洗涤塔振动装置故障频发的原因主要与其内部工况变化有关。

工艺分析：预洗涤塔内两相介质在充分混合、洗涤过程中会反应生成硫酸钡沉淀附着在筛板上，净化工序运行时间越长，筛板上的沉淀物越多，导致振动装置提升负载增大，当负载增大到超过偏心飞轮组件主轴承受极限时，主轴发生断裂，振动装置发生故障。而其他3个塔内不会发生此化学反应，振动装置负荷基本不会变化，所以设备运行稳定。

1.2 减速机、电机损坏原因分析

减速机、电机损坏主要是指电机轴和减速机输入轴配合处键槽损坏，引起传动失效。原因分析：振动装置由电机+减速机+偏心飞轮组件构成，通过连杆使塔内筛板做上下往复运动，由于筛板上下运动时连杆所需输出的力矩不一样，在极限位置存在较大的冲击，且随着筛板积料，振动装置负载逐渐增加，冲击也逐渐增大。因电机与减速机为键槽配合，无减振措施，导致冲击传到驱动端后只能靠彼此硬性碰撞消除，这样给配合处键槽带来非常大的破坏性，并产生很大的噪声，长期运行，键槽极易损坏，导致传动失效。

1.3 偏心主轴中间滚动轴承损坏原因分析

偏心主轴中间滚动轴承损坏大多表现为保持架断裂，可能原因有3点：一是预洗涤塔振动装置在使用过程中，因负载发生变化，轴承承载能力不足，发生损坏；二是塔内筛板上下运动时产生的冲击，加速轴承损坏；三是轴承安装过程中的施工缺陷。

2 解决措施

2.1 偏心飞轮组件主轴断裂解决措施

因负载变化在湿法磷酸净化工序是不可避免的，所以要解决偏心飞轮组件主轴断裂问题，只能从提高主轴强度入手。为保障现场安装尺寸不变，只需对主轴的强度进行重新设计即可。

2.1.1 偏心飞轮组件主轴强度设计

偏心飞轮组件主轴的原始设计尺寸如图1所示，材质为40Cr（调质），实心轴。

图1 偏心飞轮组件主轴原设计尺寸

根据结构形式，偏心飞轮组件主轴可简化为简支梁，两端轴承为支点，最大受力点位于C-C截面上，最大弯矩也产生在C-C截面。因两端轴承之间结构按C-C截面大体对称分布，A-A、B-B距C-C截面近，弯矩大且可能存在因配合和圆角过渡引起的应力集中，故需要对这3个截面的最小轴径进行计算并进行疲劳强度校核。根据轴的工作形式，强度设计应按弯扭合成强度计算［1］。

轴径d（mm）：

弯矩M（N·mm）：

扭矩T（N·mm）：

F为筛板积料后最大重量减去浸泡在塔内所受浮力，约为300 000N；X为各计算截面到偏心轴左端轴承中心点的距离，mm；切应力校正系数α=1；查表得40Cr（调质）许用弯曲应力[σ-1]=70MPa。

驱动电机功率为90 kW，转速为1 480 r/min，减速机速比为12，效率为0.95，代入公式（3）计算得传递给偏心轴的扭矩T=6 620 473N·mm。

将以上数据代入公式（1）、（2），可分别计算出：dmin（A-A）=99mm；dmin（B-B）=110mm；dmin（C-C）=126mm。

根据计算结果，发现主轴各危险截面轴径均大于最小设计尺寸，表明偏心飞轮组件主轴设计尺寸在理论上可以满足振动装置正常工作要求。但偏心飞轮组件主轴在使用过程中断裂较频繁，且大部分从B-B截面发生脆性断裂，分析原因主要有两点：（1）轴径由B-B截面过渡到A-A截面为偏心设计，有6mm的轴线偏差，导致偏心飞轮组件在极限提升位置存在动力冲击，因塔板负荷不断增大，轴所受的冲击也不断变大，这样易降低轴的疲劳强度；（2）C-C截面过渡到B-B截面，尺寸变化较大，存在圆角，易产生应力集中，削弱轴的抗拉强度。针对以上分析结果，为延长偏心轴使用寿命，决定将新轴各截面尺寸在原设计基础上放大1.2倍，圆整后结果如图2所示。

图2 偏心飞轮组件主轴改造后尺寸

2.1.2 疲劳强度校核

原偏心主轴在实际运行中，易在B-B截面发生断裂，所以尺寸改造后还需要对该截面进行疲劳强度安全系数校核。要求：危险截面安全系数S>许用安全系数［S］（1.5～1.8）。

安全系数S：

式中σ-1——材料弯曲疲劳极限，查表得335MPa；

M、T——危险截面上弯矩和转矩，N·mm；

W、WT——危险截面上抗弯和抗扭截面模量，mm3，根据B-B截面形状，W≈0.1d3=304 862.5 mm3，WT=2W=609 725mm3；

Kσ、Kτ——弯曲和剪切疲劳极限的综合影响系数，查手册分别取3.39、2.24。

将上述数据代入式（4），求得：SB-B=2.5>[S]，改造后轴的强度满足要求。

2.2 减速机、电机损坏解决措施

振动装置在运行过程中产生的周期性冲击是导致减速机、电机损坏的主要原因，化解冲击是解决问题的根本途径。为此，白酸厂引进了一套型号为FGC17.0S的麦格钠永磁涡流柔性传动联轴器，安装在电机输出轴与减速机输入轴之间，取代了原来电机与减速机的刚性连接。这种传动方式采用气隙传递扭矩，做到能量的空中传递，这样负载侧的振动就不会传递到电机侧，大大降低了刚性联轴器的振动放大效应，可以有效解决因周期冲击导致的减速机、电机故障问题。同时该型联轴器安装、维护简单方便，可容忍较大的安装对中误差，最大偏差可达5mm，且没有传动效率的损失，永磁体主体部件设计寿命达20年，可靠性高，使用寿命长，所需维护工作量小，维护费用极低。

2.3 轴承损坏解决措施

针对轴承损坏原因，采取以下两个措施予以解决：（1）重新选择轴承型号，偏心轴尺寸改造后，中间轴承型号由22226改为22232，提高了轴承的承载能力；（2）规范轴承安装，安装前认真检查轴承质量，安装过程中，杜绝暴力施工。

3 改造效果

改造于2017年5月底完成，目前预洗涤塔振动装置已运行了3年时间，除因轴承正常损坏检修过2次外，振动装置未发生偏心飞轮组件主轴断裂及减速机、电机损坏的故障，设备在运行过程中的振动和噪声明显降低。此次改造大大地降低了设备故障率，有利于稳定生产，节约了检维修费用，取得较好成效。