螺旋卸船机垂直螺旋叶片修复工艺研究与应用

◎ 董良太，孙泽豪，刘 静，滕 健，邢 萌

（日照港裕廊股份有限公司，山东 日照 276826）

螺旋卸船机是以螺旋取料并利用垂直螺旋输送机提升物料的散货卸船机，因其卸船作业效率高、适应性强，具有结构简单以及环境污染小等特点，被广泛应用于粉状、颗粒状和块状物料的接卸作业。日照港裕廊股份有限公司主营粮食、木片等货种的码头服务业务和铁路货物运输代理等延伸服务，进口粮食吞吐量连续2年突破1 000万t，是全国最大的大豆、木片进口港，现有2台BMH[瑞典Siwertell（西沃特尔）]制造的ST-640MD型螺旋卸船机（如图1所示），其在日常接卸木薯干等粮食类货种中得到很好的应用。

图1 螺旋卸船机图

螺旋卸船机，特别是垂直螺旋输送机，在螺旋过程中会不可避免地与物料产生相对滑动现象，造成螺旋叶片磨损严重。垂直螺旋的设计使用寿命为5 000 h，经过简单检修、焊补，使用寿命会有所延长，预计单套垂直螺旋最长使用时间可达7 000 h左右。随着原材料和人工成本的不断提高，垂直螺旋的采购价格也在不断攀升，单套原装进口垂直螺旋（含外壳、螺旋、法兰、喂料器等）采购价格预计400万元左右，且受运输方式等诸多不确定因素影响，采购周期长达8个月左右。此外，受年度备件采购预算的限制，在用螺旋和新件采购存在时间间隔，且被更换掉的螺旋通常是被闲置，这给企业造成了较大的浪费，研究螺旋旧件修复的可行性十分必要。

1 垂直螺旋运行机理和磨损原因分析

螺旋卸船机主要由驱动装置、垂直螺旋、螺旋外壳、喂料器、OD轴承总成、桃形减速机、卸料口等组成（如图2所示）。在进行物料垂直提升输送时，首先由与垂直螺旋旋转方向相反、带有倾斜翼板的喂料器使周围的物料松动并向垂直螺旋供料。当垂直螺旋叶片以转速带动输送管内的物料颗粒群旋转时，物料颗粒群也被加速转动，在旋转产生的离心惯性力作用下，物料逐步向螺旋外壳及螺旋叶面移动，并与之紧贴，加上物料自身重力，对螺旋外壳和螺旋叶面产生压力，进而引起螺旋外壳和螺旋叶面作用的摩擦力，该摩擦力阻止物料随螺旋叶片一起旋转，且摩擦力随螺旋转速的增大而增大[1]。当摩擦力超过某个临界值时，将使物料与螺旋之间产生相对运动，物料具有垂直向上的运动分量，克服物料自身的重力，从而实现物料的垂直提升输送。

图2 垂直螺旋输送机构组成图

大豆是日照港裕廊股份有限公司ST-640MD型螺旋卸船机作业的主要粮食货种，其在螺旋外壳内稳定输送，形成自由表面状态后，因高速旋转而产生的离心力和自身重力，在螺旋轴、上下螺旋叶片表面、螺旋外壳内壁形成压力与摩擦力，与管壁的压力与摩擦力构成动态平衡力系，从而确定了物料的运动和阻力。大豆摩擦包括外摩擦和内摩擦，外摩擦的大小是通过摩擦系数来表示，内摩擦的大小则是用静止角和摩擦角来衡量[2]。垂直螺旋提升大豆的过程中，由于大豆流动性较好，造成大豆与垂直螺旋叶片之间产生内摩擦和外摩擦，加剧了螺旋叶片的磨损，尤其是叶片上表面的磨损（如图3所示）。起初在垂直螺旋叶片的上表面从外向内堆焊了宽度5 cm的耐磨层，后期为提高螺旋叶片使用寿命将其增大到6 cm，但从实际使用结果来看，螺旋机使用寿命的提升效果并不理想。图3中的螺旋叶片本体磨损十分严重，局部位置几乎已经磨透，且磨损主要集中在耐磨层向内5 cm左右的位置，边缘的耐磨层磨损情况相对较轻，以螺旋轴磨损程度最轻，表面油漆还完好无损。

图3 螺旋叶片磨损图

基于现场条件和工艺的限制，我们无法频繁地对喂料器提升螺旋进行堆焊修补，只能在每次OD轴承检查调整时，通过支架耐磨瓦安装窗口检查螺旋法兰连接位置的螺旋叶片磨损情况。其中，单节螺旋长度可达5 m左右，但通常情况下，我们能检查到的长度往往不足0.5 m，这也会影响螺旋的使用寿命。

2 必要性与可行性分析

螺旋价值相对较高，而被更换下来的螺旋多被当作废旧钢材折价卖出，造成了极大的浪费，有必要实施再制造技术进行修复。再制造通过标准化的技术、工艺，使各类损坏或报废的设备恢复性能，达到延长使用寿命、降低成本的目的，这既解决了进口备件短缺、不能满足生产需要的问题，也解决了因备件短缺造成设备无法修复的问题，有效降低了企业的资金压力。我国再制造产业发展虽晚，但势头非常好，目前已成为世界上最重要的再制造中心之一，在再制造基础理论研究与技术应用开发方面走在了世界前列[3]。

在拆下的螺旋现场采用敲击、放大镜检查，未发现明显裂纹，法兰连接处焊缝完好，螺栓无断裂，螺栓孔无滑丝情况。螺旋轴和螺旋叶片主体结构完好，叶片焊接根部油漆未磨损，机械结构没有损坏，为保证设备的可修复性，需要对螺旋进行表面再清洗，清除表面油污、灰尘等杂质，具有抛丸设备的可进行抛丸处理，确保螺旋表面干净，最大限度地提高基体和焊材融合界面的结合度。使用合适的耐磨工艺将耐磨材料堆焊在基材表面，其复合碳化物在基材表面形成的奥氏体具有良好的抗拉强度和高应力的耐磨性以及较好的抗冲击性。螺旋叶片修复只要在堆焊过程中控制较小的变形和快速冷却，使用普通二氧化碳保护焊焊接即可满足要求，实现螺旋修复再利用。

3 修复处理

为尽可能提高修复后的螺旋技术状态，延长其使用寿命，我们可以选择为煤炭和矿石开采行业提供设备维修的服务单位，该类单位长期研究并从事机械设备耐磨堆焊修复以及耐磨备件、输送设备等机械设备的制造，与螺旋卸船机使用工况类似，对耐磨指标要求高，且对耐磨工艺研究具有实际应用价值。

3.1 材料选择

为保证新堆焊磨焊层与旧焊磨焊层相互熔覆、均匀焊接、焊层高度一致，修复和打底时需要用506材质的焊丝。506焊条为低合金钢焊条，具有较好的抗压性，另506焊条操作性强，可进行全位置焊接，焊缝具有优良的抗裂性能。将垂直螺旋带有耐磨合金涂层的一面进行焊补修复，新堆焊磨焊层材质要求为高铬合金堆焊，修复材质采用耐磨400，铬含量不低于30%，HRC硬度不低于63。从合金元素在钢中的作用可知，钢中加入合金元素可以形成具有简单晶格的间隙相碳化物以及具有复杂晶格的碳化物。铬、钼、钨等与碳的亲和力较强，含量较高时可形成特殊碳化物，而合金元素与碳的亲和力越强，形成的碳化物越稳定，熔点和硬度越高[4]。耐磨层选用堆焊焊条CH-100-O:符合EN14700TFe15要求，该焊条主要用于修复磨损严重的机械零件。堆焊层硬度HRC: 62~64，全金属焊接金属化学成分（成分和硬度基于6层熔敷金属检测）：wC为4.5%~6.0%、wSi为0.5%~1.5%、wMo为0.8%~1.2%、wMn为0.5%~1.5%、wCr为27%~31%、wZr≤0.4%。

3.2 修复工艺

根据事先拟定的修复流程，首先对5根垂直螺旋表面进行清洁、除锈、除油等处理，检查螺旋叶片根部和法兰盘焊缝等应力集中位置是否存在裂纹。修复前必须满足所有准备条件，方可进入修复流程。设置专门维修工位，上方为吊具，下方为维修坑，将螺旋竖直放置在吊装支座上，以不能灵活转动为宜，焊补并修复5根垂直螺旋母体一侧的磨损部分（含耐磨焊层内侧凹陷部分），螺旋顶面及母体未磨损一面无需进行修复。螺旋母体耐磨焊层内侧凹陷部分焊补、打磨平整，再进行堆焊处理。螺旋修复前准备焊接螺旋工装，采用焊补新工艺，避免螺旋中心轴发生变形。为解决因螺旋叶片原耐磨层宽度不足，造成基材母体磨损严重的问题，可将叶片表面新堆焊磨焊层宽度增大至10 cm（自螺旋耐磨合金涂层的根部开始计算）,厚度根据螺旋母板磨损面程度修复（螺旋母板厚度为12 mm），焊接修复达到一个水平基准面。为使堆焊效果最佳，必要时可用氢氧焰对叶片表面进行烘烤，将叶片焊接区域全部做好定位。在螺旋现有耐磨层不处理的基础上，自耐磨层下方开始堆焊处理，采用明弧焊的焊接工艺。先将基材磨损凹处使用506焊丝修复找平，再使用耐磨焊丝沿径向堆焊，为保证螺旋叶片堆焊冷却后的残余应力变形控制在合理范围内，需要转动螺旋，对称焊接分段跳焊，并不断用锤敲击，以防单位面积热输入过大造成过量变形。焊枪倾角控制在45°左右，采用连续送丝方式，焊接区域满焊全熔透，以达到不同材质融合，如图4所示。为防止焊接变形，一次焊接宽度不超过10 mm，堆焊焊缝之间间隔一个焊缝宽度，堆焊要均匀美观，焊接完整根螺旋叶片后，再焊接间隔的未焊部位。若单次焊接厚度达不到总要求，可在上一层焊接拼缝处再复焊一层。

图4 现场螺旋叶片修复图

3.3 后处理

对修复完成的螺旋叶片堆焊层和热影响区，若条件充分，可做渗透探伤，检查其修复表面有无裂纹等焊接缺陷，也可使用内径千分尺检查修复叶片的位形尺寸是否有变形严重的情况发生[5]。修复的垂直螺旋需要做动平衡实验，如果检测超出了给定范围，需要采用外加配重块的方法进行重新调试，以保证其动平衡在设备的规定范围内运行，修复后的垂直螺旋如图5所示。

图5 修复后的垂直螺旋图

4 使用效果

截至2023年1月，已累计有1 379台再修复的垂直螺旋，经过重新装配后继续使用长达5个月时间。可见，螺旋修复有效地提高了螺旋叶片的耐磨性，降低了单套螺旋的更换频率。很多使用近半年的螺旋，叶片表面仍无明显磨损。采用合理工艺并选用性能优异的焊接材料，使螺旋在同等工况条件下比原材料磨损程度更轻，既满足了生产的实际需要，又降低了采购成本和更换费用。

5 结语

本文依据垂直螺旋运行机理，详细分析了螺旋叶片磨损的具体原因，论证了修复螺旋的必要性和可行性，有针对性地选择了修复材料和工艺，并将其成功应用于实际，有效解决了垂直螺旋购置成本高、周期长的问题，为企业节约了大量的设备购置费用，具有一定的应用价值和社会经济价值。