朱欽杰

(中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司短纖部，江蘇儀征 211900)

牽伸工藝是滌綸短維纖后處理的主要工藝之一，通過(guò)牽伸設(shè)備之間的線速度差異實(shí)現(xiàn)。牽伸設(shè)備承受的牽引力大，此牽引力完全作用在輥筒上。根據(jù)長(zhǎng)期的設(shè)備維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，牽伸輥部件的軸斷裂、連接螺栓斷裂、軸承損傷、齒輪損傷等故障多發(fā)，并呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。筆者從牽伸輥部件進(jìn)行分析，找出故障原因，以在設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)方面提供解決思路。

1 牽伸輥部件的工藝作用

滌綸原絲在后處理階段經(jīng)過(guò)兩次拉伸得到所需要的纖度，拉伸在第一牽伸機(jī)、第二牽伸機(jī)和緊張熱定型機(jī)之間進(jìn)行，本文以一種在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的2.5萬(wàn)噸/年后處理生產(chǎn)線作為對(duì)象，進(jìn)行分析。牽伸工藝流程圖，如圖1。

圖1 牽伸工藝流程圖

滌綸纖維的拉伸通過(guò)設(shè)備之間線速度的不同實(shí)現(xiàn)，拉伸發(fā)生在第一牽伸機(jī)、第二牽伸機(jī)和緊張熱定型機(jī)之間，絲束在這兩段拉伸過(guò)程中，微觀上分子鏈的取向發(fā)生了變化，宏觀上纖維的纖度減小(變細(xì))。

滌綸短纖的后處理為間隔運(yùn)行，每天運(yùn)行約20 h，期間因工藝處理、設(shè)備故障等原因需要短時(shí)停車5～15次，每次的停車時(shí)間不等。

2 牽伸輥部件的結(jié)構(gòu)和主要失效形式

2.1 牽伸輥部件的結(jié)構(gòu)形式

本文以2.5萬(wàn)噸/年生產(chǎn)線的緊張熱定型機(jī)為研究對(duì)象，其為18輥懸臂布置，夾套式蒸汽加熱輥筒，正常運(yùn)行速度約為290 m/min，筆者對(duì)其牽伸輥部件進(jìn)行分析。

牽伸輥筒為上下兩列交替布置，輥表面為梨面鍍鉻處理以增大摩擦力，輥筒與纖維的包角(纖維與牽伸輥筒接觸部分對(duì)應(yīng)的角度)基本相同。緊張熱定型機(jī)的輥筒布置，如圖2。

圖2 緊張熱定型機(jī)的輥筒布置

牽伸輥筒部件裝配圖，如圖3。牽伸輥部件分為輥筒和軸兩個(gè)主要部件，在軸上安裝有齒輪、前后軸承、擋油部件等，軸安裝在齒輪箱內(nèi)，有前、后軸承兩個(gè)支點(diǎn)，輥筒懸臂布置。

圖3 牽伸輥筒部件裝配圖

2.2 牽伸輥部件的主要失效形式

根據(jù)牽伸輥部件的工藝作用、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和長(zhǎng)期運(yùn)行中積累的經(jīng)驗(yàn)，其主要失效形式有如下幾種：

(1)輥筒與軸連接螺栓斷裂，多發(fā)于設(shè)備前部輥筒，且1#輥?zhàn)顬槌Ｒ姟?/p>

(2)軸的軸肩處斷裂，多發(fā)于設(shè)備前部的輥軸。

(3)前軸承內(nèi)圈或外圈某個(gè)角度范圍內(nèi)大面積點(diǎn)蝕或磨損，部分齒圈發(fā)生斷裂。

(4)齒輪偏載，進(jìn)而導(dǎo)致齒面一端異常磨損，甚至發(fā)生齒面點(diǎn)蝕或膠合。

3 牽伸輥部件的失效分析

3.1 牽伸輥受力特點(diǎn)造成的失效分析

牽伸輥筒之間通過(guò)齒輪傳動(dòng)且輥徑相同，理想狀況下，牽伸輥筒的線速度和角速度都相同。緊張熱定型機(jī)之后設(shè)備的線速度與其基本相同。因牽伸輥筒懸臂安裝，牽伸輥筒拉伸纖維絲束時(shí)，與絲束同步旋轉(zhuǎn)，根據(jù)前期研究，拉伸點(diǎn)在緊張熱定型機(jī)與第二牽伸機(jī)之間，若摩擦力足夠，纖維與牽伸輥筒之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)輥筒進(jìn)行受力分析如圖4。

圖4 牽伸輥筒受力分析

3.1.1 牽伸輥筒承受扭轉(zhuǎn)力矩造成的影響

未經(jīng)后處理的滌綸原絲主要成分為聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)，纖度一般在6 dtex以下，經(jīng)過(guò)第一牽伸機(jī)之后，原絲存在的物理彎曲基本消除，屬于典型的柔韌體，應(yīng)該適用于柔韌體的歐拉公式。根據(jù)圖4，歐拉公式為：

F1=F2×efθ

式中F1為進(jìn)入輥筒纖維的拉力；F2為離開輥筒纖維的拉力(F2

首先對(duì)歐拉公式的適用性予以驗(yàn)證。這里采取微積分的思想，牽伸輥筒微段受力分析，如圖5。

首先進(jìn)行角度的幾何分析。對(duì)牽伸輥筒微段受力進(jìn)行幾何分析，如圖6、圖7所示，可知∠1=∠2。

圖5 牽伸輥筒微段受力分析

圖6 牽伸輥筒微段受力的幾何分析1

圖7 牽伸輥筒微段受力的幾何分析2

假設(shè)纖維纏繞在牽伸輥筒的長(zhǎng)度是一個(gè)無(wú)限小的微段，微段在牽伸輥筒上纏繞的弧度為dθ，假設(shè)纖維進(jìn)入牽伸輥筒的拉力為F，纖維離開牽伸輥筒的拉力為F+dF；摩擦力為f·dN(其中f為纖維與牽伸輥筒的摩擦系數(shù))。

假設(shè)纖維作用在牽伸輥筒的正壓力為dN，那么根據(jù)力的分解與平衡，可得出：

因?yàn)槔w維纏繞在牽伸輥筒的長(zhǎng)度是一個(gè)無(wú)限小的微段，根據(jù)前期研究“小角度近似方法及其在物理解題中的應(yīng)用”[1]，當(dāng)角度(弧度)dθ很小時(shí)，弧度值與角度值非常接近，忽略二階微量，可以忽略，得：

dN=F×dθ

當(dāng)纖維在輥筒上處于臨界狀態(tài)時(shí)，根據(jù)切線方向力的守恒，得出：

因θ非常微小[1]，余弦值近似為1，可得：

dF=f×dN

又因之前推導(dǎo)出dN=F×dθ，可得：

進(jìn)而得到：

即：F1=F2×efθ

所以，對(duì)于牽伸輥筒的受力狀態(tài)符合歐拉公式。

因?yàn)槔w維進(jìn)出輥筒的力呈指數(shù)倍關(guān)系，隨著包角增大，纖維離開牽伸輥筒的拉力F1將逐步遠(yuǎn)小于進(jìn)入牽伸輥筒的拉力F2。根據(jù)“滌綸短纖維摩擦系數(shù)測(cè)試及其影響因素的研究”[2],這里選取摩擦系數(shù)的下限值為0.2，表1為不同包角時(shí)兩個(gè)力之間的關(guān)系。

表1 不同包角情況下輥筒兩端拉力的關(guān)系

顯然，F(xiàn)1與F2的差值和輥筒承受的摩擦力一致，摩擦力作用在輥筒上形成扭轉(zhuǎn)力矩。因牽伸輥筒的包角約為300°，所以F1是F2的2.85倍(F2是F1的35%)，即有65%的力由摩擦力承擔(dān)了，所以牽伸輥筒除了承受纖維的拉力、自身重力外，還承受較大的扭力。假如1#輥筒入口拉力為F，那么1-5#牽伸輥筒的受力情況如表2。

表2 1—5#牽伸輥筒的受力大小

可見，某個(gè)輥筒承受的摩擦力是前面一個(gè)輥筒摩擦力的35%，當(dāng)1#輥筒承受的摩擦力是0.65F時(shí)，到5#輥筒僅為0.01F，顯著減小。

牽伸輥筒的外形尺寸相同，其承受的扭轉(zhuǎn)力矩與摩擦力的變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明緊張熱定型機(jī)靠近入口的部分輥筒所承受的扭轉(zhuǎn)力矩較大，且從1#逐步減小。扭轉(zhuǎn)力矩的大小決定了連接螺栓的剪切載荷和軸的扭轉(zhuǎn)力矩，其變化規(guī)律解釋了軸斷裂和螺栓斷裂集中在前部的牽伸輥部件的原因。所以，設(shè)計(jì)上應(yīng)增大前部牽伸輥部件的承載能力。

緊張熱定型機(jī)的18個(gè)牽伸輥筒分為三段驅(qū)動(dòng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，其第二、三段的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率不足第一段的50%，印證了這一結(jié)論。

3.1.2 牽伸輥筒垂直方向受力造成的影響

針對(duì)緊張熱定型機(jī)牽伸輥筒進(jìn)行宏觀的受力分析。牽伸輥筒在垂直面的主要受力有自身重力G，與纖維的表面摩擦力，纖維拉力(F1和F2)在垂直于兩切點(diǎn)連線方向的分力N，設(shè)定三者合力為F，那么，作用在輥筒上的F由軸的前、后兩個(gè)軸承來(lái)承擔(dān)，它們受力的方向是相反的。

緊張熱定型機(jī)牽伸輥部件的包角相近，根據(jù)其安裝的位置和纖維纏繞位置可分為上、下兩種情況，即下層的奇數(shù)號(hào)為一種，上層的偶數(shù)號(hào)為一種。這里選取2#和3#牽伸輥部件進(jìn)行分析，如圖8、9所示。

(1) 2#牽伸輥筒，上層輥筒的合力(F)方向在第二象限，那么，前軸承的受力也在第二象限，后軸承的受力在第四象限。對(duì)單個(gè)軸承而言，前軸承的外側(cè)右下邊和內(nèi)側(cè)左上邊受力較大，后軸承恰好相反。

圖9 3#牽伸輥筒受力分析

(2) 3#牽伸輥筒上層輥筒的合力(F)方向在第三或第四象限，那么，前軸承的受力也在第三或第四象限，后軸承的受力在第一或第二象限。對(duì)單個(gè)軸承而言，前軸承的外側(cè)左方和內(nèi)側(cè)右方受力較大，后軸承恰好相反。

通過(guò)以上分析，布置在上層的牽伸輥部件承受的外力更大，軸承的磨損也更為嚴(yán)重，且軸承的磨損點(diǎn)容易集中在某個(gè)區(qū)域，即前軸承的外側(cè)右下方和內(nèi)側(cè)左上方，后軸承恰好相反。布置在下層的牽伸輥筒承受的外力較小，隨著輥筒編號(hào)的增大，N逐漸減小，合力由第四象限向第三象限逐步轉(zhuǎn)變，軸承磨損點(diǎn)存在于一個(gè)比較大的角度范圍，但磨損程度會(huì)小于上層。

3.2 牽伸輥部件結(jié)構(gòu)形式造成的失效分析

牽伸輥部件是由多個(gè)零部件裝配而成，安裝精度的影響因素較多，如軸承存在游隙，螺栓安裝存在栓孔間隙,牽伸輥筒加工存在圓度誤差，輥筒與軸的同軸度等，這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都將造成牽伸輥筒在運(yùn)行中出現(xiàn)徑向跳動(dòng)，下面分析徑向跳動(dòng)的程度對(duì)牽伸輥部件的影響。

根據(jù)徑向跳動(dòng)產(chǎn)生的原因和表現(xiàn)特征，可分為兩種，一是輥筒與軸不同心導(dǎo)致的徑向跳動(dòng)，二是輥筒失圓(形變、磨損等)導(dǎo)致的徑向跳動(dòng)。這里以受力較大的2#輥筒進(jìn)行分析。牽伸輥筒安裝后的主要部件，如圖3。

3.2.1 輥軸不同心造成的徑向跳動(dòng)的影響分析

導(dǎo)致輥筒與軸不同心的因素主要有：軸承游隙、螺栓安裝后存在的栓孔間隙、輥筒與軸結(jié)合面的吻合度、軸的加工精度等。輥軸不同心造成徑向跳動(dòng)時(shí)牽伸輥筒的運(yùn)行軌跡，如圖10。

圖10 輥軸不同心造成徑向跳動(dòng)時(shí)的運(yùn)行軌跡

圖10中，中間的圓代表理想狀況的運(yùn)行軌跡，四周的四個(gè)圓代表輥筒在上、下、左、右四個(gè)位置時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，兩根直線代表輥筒跳動(dòng)至最高點(diǎn)時(shí)纖維的位置。

這種狀態(tài)下，牽伸輥筒(2#)發(fā)生了位置的移動(dòng)，因輥筒上纖維的包角與其前(1#)后(3#)兩個(gè)輥筒的相對(duì)位置有關(guān)，由圖11可見，2#輥筒與1#、3#輥筒的相對(duì)位置變化，其切點(diǎn)變化的位置相反，造成2#輥筒包角發(fā)生變化，繼而造成輥筒合力方向在第二象限內(nèi)較大的角度內(nèi)變化，從而導(dǎo)致軸承磨損面積增大。而且，徑向跳動(dòng)的過(guò)程中，輥筒不斷地進(jìn)行垂直面內(nèi)的擺動(dòng)，形成交變載荷，對(duì)軸承、齒輪油膜產(chǎn)生強(qiáng)烈擠壓，力量一旦超過(guò)油膜剛度，將加劇磨損。

圖11 徑向跳動(dòng)時(shí)包角的變化

實(shí)際維修經(jīng)驗(yàn)顯示，因這種徑向跳動(dòng)造成的牽伸輥部件故障，往往故障演變周期短，軸承、齒輪的磨損面積較大，與上述分析一致。此外，因?qū)嶋H的運(yùn)行軌跡不穩(wěn)定，運(yùn)行半徑發(fā)生變化，但角速度不發(fā)生改變，造成牽伸輥筒的線速度波動(dòng)較大，齒輪受的交變沖擊載荷也較大。

3.2.2 輥筒失圓造成的徑向跳動(dòng)的影響分析

造成輥筒失圓的主要因素有：纏輥等外力引起的輥筒形變、輥筒加工精度不足、輥筒壁厚不均勻減薄等。發(fā)生失圓后，輥筒徑向剖面由圓形變?yōu)闄E圓形，這時(shí)，輥筒的中心點(diǎn)不變，但外圓的相對(duì)位置不停地周期性變化。失圓后的運(yùn)行軌跡，如圖12所示。

圖12 失圓后的運(yùn)行軌跡

圖12中，中間圓代表理想狀況的運(yùn)行軌跡，四個(gè)橢圓代表失圓后的輥筒在上、下、左、右的四個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，兩根直線代表橢圓形輥筒的長(zhǎng)軸處于水平時(shí)纖維的位置。

輥筒處于不同的位置時(shí)，纖維的包角變化不明顯，但是纖維拉力的合力(大小和方向)將發(fā)生周期性的變化。輥筒失圓的程度越大，橢圓長(zhǎng)、短軸的比例就越大，輥筒承受合力的大小、方向的變化幅度也越大，即產(chǎn)生了明顯的交變載荷，將加速齒輪、軸承和螺栓等部件的失效。

以上兩種交變載荷同時(shí)作用并相互影響，比較復(fù)雜，但將對(duì)各個(gè)連接件、承載件產(chǎn)生明顯影響。

3.3 運(yùn)行環(huán)境和潤(rùn)滑方式造成的失效

3.3.1 運(yùn)行環(huán)境造成的影響

滌綸短纖后處理生產(chǎn)線往往是多條生產(chǎn)線布置在一個(gè)廠房?jī)?nèi)，多臺(tái)單元機(jī)使用蒸汽加熱，夏季環(huán)境溫度可達(dá)50 ℃。就緊張熱定型機(jī)而言，其牽伸輥內(nèi)部通入壓力約2 MPa的飽和蒸汽，牽伸輥表面溫度約200 ℃，因后處理生產(chǎn)線是間歇運(yùn)行(每24 h停車約4 h)，為了節(jié)能，在停車期間需要關(guān)閉蒸汽，此時(shí)牽伸輥溫度約為30～50 ℃，即每天有至少2次溫度變化，變化幅度超過(guò)150 ℃。

首先，溫度的交替變化會(huì)影響螺栓的緊固狀態(tài)和壽命。溫度變化引起螺栓預(yù)緊力發(fā)生變化，容易造成螺栓的蠕變，逐步積累后導(dǎo)致聯(lián)接松動(dòng)、牽伸輥徑向跳動(dòng)增大，最后螺栓斷裂。

其次，牽伸輥與軸在冷態(tài)下通過(guò)螺栓連接在一起，安裝且升溫后需要進(jìn)行熱緊固，當(dāng)輥筒受熱不均勻或者熱緊固力矩不一致時(shí)，部分預(yù)緊力較大的螺栓(此螺栓屬于摩擦型螺栓)將承受更多來(lái)自牽伸輥筒的扭轉(zhuǎn)力矩，易先發(fā)生斷裂。

另外，纖維進(jìn)入緊張熱定型機(jī)之前含有約20%油水，進(jìn)入牽伸輥筒之后在高溫下水分逐步蒸發(fā)，輥溫逐步升高，經(jīng)檢測(cè)第一個(gè)輥筒與第六個(gè)輥筒的表面溫度相差可達(dá)50 ℃。設(shè)備短時(shí)停車時(shí)，前部的牽伸輥筒沒有與絲束接觸的一面溫度迅速升高至200 ℃，而與絲束接觸的一面的溫升較慢，短時(shí)間內(nèi)兩側(cè)有約50 ℃的溫差，導(dǎo)致輥筒與軸的連接螺栓預(yù)緊力不均衡，易引起螺栓松動(dòng)。

3.3.2 潤(rùn)滑方式造成的影響

緊張熱定型機(jī)的潤(rùn)滑方式為強(qiáng)制潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油經(jīng)過(guò)濾后由油泵送至齒輪箱頂部，再經(jīng)管路或重力流至相應(yīng)的潤(rùn)滑點(diǎn)，前后軸承皆為雙排滾子軸承，潤(rùn)滑油注入點(diǎn)在軸承里側(cè)的頂部滾子處，進(jìn)入軸承的潤(rùn)滑油靠滾子轉(zhuǎn)動(dòng)帶入內(nèi)部。潤(rùn)滑油選用4408(320號(hào))合成重負(fù)荷工業(yè)齒輪油。正常生產(chǎn)時(shí)，牽伸輥筒表面溫度約200 ℃，潤(rùn)滑油流出齒輪箱時(shí)溫度最高可達(dá)60 ℃(夏季)。4408合成重負(fù)荷工業(yè)齒輪油的溫度使用范圍為-40～120 ℃。經(jīng)檢測(cè)，前軸承座溫度約100 ℃。

第一，設(shè)備停車時(shí)，潤(rùn)滑油注入軸承后無(wú)法順利流入到軸承另一排滾子，維保經(jīng)驗(yàn)顯示靠近操作面一側(cè)的軸承滾子潤(rùn)滑不良，損傷更為明顯。此外，設(shè)備較長(zhǎng)時(shí)間停車后，必須經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的空載低速運(yùn)行，以保證潤(rùn)滑到位。設(shè)計(jì)上，潤(rùn)滑油進(jìn)入點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在軸承外圈的中間部位。

第二，因設(shè)備啟停較為頻繁，停車時(shí)潤(rùn)滑油泵關(guān)閉，潤(rùn)滑油在重力作用下回流至油箱，油膜在高溫作用下消失。設(shè)備啟動(dòng)和加速階段的載荷大，在集中受力區(qū)域的油膜形成困難。實(shí)際維護(hù)中發(fā)現(xiàn)軸承的磨損往往集中在某個(gè)區(qū)域(見3.2)，與此種原因?qū)е碌臐?rùn)滑不良相關(guān)。因此，在設(shè)備啟動(dòng)前應(yīng)先啟動(dòng)潤(rùn)滑油泵，保證潤(rùn)滑油充分流動(dòng)且油溫升高后，再啟動(dòng)設(shè)備，減少因潤(rùn)滑不良導(dǎo)致的磨損。

4 結(jié) 論

緊張熱定型機(jī)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不同型號(hào)的設(shè)備差別也較大，但根據(jù)以上分析，可以得出如下一些規(guī)律性的結(jié)論：

a) 根據(jù)計(jì)算，牽伸輥筒承受的扭矩從1#開始逐步減小，這解釋了前幾個(gè)輥筒失效故障多發(fā)的原因。設(shè)計(jì)上，應(yīng)增大前端牽伸輥部件的承載能力，或適當(dāng)減小第一個(gè)輥筒的包角。

b) 上層牽伸輥部件的受力大于下層，輥筒位置和受力的不同導(dǎo)致軸承、齒輪的受力區(qū)域不同。設(shè)計(jì)上，應(yīng)著重加強(qiáng)受力區(qū)域的承載能力和潤(rùn)滑效果。

c) 徑向跳動(dòng)會(huì)形成強(qiáng)烈的交變載荷，加速齒輪、螺栓等部件的失效。維護(hù)上，應(yīng)定期檢測(cè)輥筒的徑向跳動(dòng)值，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的需盡快組織維修。

d) 設(shè)計(jì)上，潤(rùn)滑油進(jìn)入點(diǎn)應(yīng)在軸承外圈的中間部位。

e) 設(shè)備使用和維護(hù)上應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：一是螺栓的定力矩緊固和熱緊固，二是開機(jī)前先啟動(dòng)潤(rùn)滑油泵和先低速運(yùn)行，三是牽伸輥部件的連接螺栓應(yīng)定期檢查或更換。