贝亚雷斯三相离心机国产化改造

摘要：根据意大利进口的贝亚雷斯FP6002RS/M离心机用于污油三相分离的经验，由于存在差速器结构不合理和螺旋材料易磨损的问题，导致离心机运行一年便出现严重故障。因此，我们对差速器和螺旋等部件进行了国产化改造，经过一年多的运行检验，达到了理想的效果。

关键词：离心机；差速器；螺旋；改造

前言

为了资源的有效利用和环境保护，供排水联合装置对含油污水经过隔油处理，将污油收集进罐，再经过脱水处理后，将送到炼油装置进行回炼。而炼油装置掺炼污油要求含固量低，含水量最多不大于10%，一般要求在2%以下。然而，这些从污水中回收的污油，含固体杂质和水分都很高。为了解决污油脱水的难题，2009年，公司购买了一台意大利贝亚雷斯生产的FP6002RS/M卧螺离心机进行污油的固、水、油的三相分离，处理能力5M3/h。投用后，大大提高了污油脱水、脱固的效率，油的含水率也能下降到2%，含固率低于。但该设备运行一年后就出现差速器损坏、螺旋磨损、机器振动大等问题，无法继续运行。因此，我们对其进行了国产化改造，并取得了较好的效果。

1.三相离心机的工作原理

离心机是利用离心力分离在液体中含有颗粒的液-固体的悬浮液的设备。在外壳上装有两个转子，外转子是一个锥形起沉降作用的转鼓，两端固定在空心转轴上，由右边的皮带轮带动旋转，内转子为一个在空心轴上装有锥形叶片的螺旋推料器，它由左端的差速器带动，旋转方向与转鼓相同，差速器为行星轮减速器，它由外转子通过空心轴带动旋转，使螺旋推料器的转速比锥形转鼓快6-11r/min，这个差值，通常称为差转速（转鼓转速为3400r/min左右）。差转速使螺旋推料器的螺旋叶片与转鼓内壁间有相对运动，因而螺旋推料器可以推送固体物料。当悬浮液从右端进料口连续加入时，由于转鼓回转产生的离心力的作用下，物料聚集在转鼓大端，形成一个沉降区。在沉降区里，悬浮液中的固相物料受离心力的作用而沉降到转鼓内壁上，并被螺旋推料器送到转鼓小端的干燥区，最后从卸渣口甩出，从而实现固-液分离。FP6002RS/M卧螺离心机不仅能实现固-液分离，还能进行油-水分离，即三相分离。在它的锥形转鼓大端的端面上开有四个圆形口，靠近转鼓中心的两个口是出油口（油的密度比水小，在水上方），两个稍靠转鼓边的两个口是出水口。通过调节油相和水相堰板的高度，可以使油和水分别从各自的溢出口溢出，这样就实现了固、油、水的三相分离。

2.三相离心机存在的问题分析

2.1差速器结构设计有缺陷，易进水而损坏

贝亚雷斯离心机是意大利生产的，技术较为先进，在石化系统我们是第一家使用。然而它的差速器在设计上也存在缺点。差速器与转鼓是由螺旋输送轴连为一体的，它们两腔之间只有一个密封分隔。其一是这种结构，在检修转鼓或螺旋时，安装螺旋输入轴非常困难，极易造成差速器与转鼓之间的密封安装不好造成泄漏。其二是密封使用时间长了，密封会因自然磨损而泄漏。一旦出现密封泄漏就会出现污水直接进入了差速器内，将润滑油严重污染，造成轴承、齿轮全部损坏的严重后果。

2.2螺旋和转鼓材料耐磨性不好，易磨損

我们的污油是装置经含油下水道排放来的，油中夹带的固体物质成分复杂，其中还含有大量的泥沙，在转鼓内沉积后硬度大，螺旋长时间与这些泥沙摩擦，螺旋的磨损相当迅速。贝亚雷斯FP6002RS/M离心机转鼓和螺旋的材料都是316L不锈钢，有良好的抗腐蚀性能，但硬度不太高（HB<187），耐磨性不强。离心机投用1年多，转鼓和螺旋的间隙就由1mm扩大到了5mm，螺旋刮泥效果变差，出泥不畅，机器转子不平衡，振动大，力矩增大，出现经常停机。

3.三相离心机技术改造内容

投产一年后，离心机出现差速器损坏、螺旋磨损等故障后，如果要买原装配件，不仅时间长，费用高，而且它本身存在的缺陷也不能消除，于是我们决定对其进行国产化改造。

3.1将差速器实行国产化

3.1.1差速器的结构

离心机差速器是由两极行星齿轮系统组成，第一级为行星机构，第二级为差动机构，齿形为渐开线形。其第一级与第二级均有三个行星齿轮。一级输入轴（一级太阳轮），通过摇臂与力矩保护装置相连接，一级输出轴与二级输入轴（二级太阳轮）通过短齿渐开线花键联接为一体（我们称这一构件为小三星盘盖），二级输出轴（大三星盘盖），通过花键轴与内转子相连接。一、二级内齿圈与差速器外壳通过短齿渐开线花键联结为一体，差速器外壳通过联结盘与转鼓相连接。

3.1.2改变差速器外壳与内齿圈的结构形式，选择合适的材料

进口差速器的结构中一、二级内齿圈依靠加工过盈量将其镶入差速器壳体内，再通过紧固销径向定位，防止内齿圈在壳 体内转动。因为国内的加工水平与国外存在差距，为了较好地保证了加工和组装精度，我们将差速器外壳与内大、小内齿圈用同一材料整体加工，采用整体淬火的热处理方法。这样做也存在二者要求的性能不同，材料又不能区别，不便于选择差异性热处理方法，牺牲了部分齿轮性能。如果有一齿损坏，就会导致壳体报废，增加了运行成本。差速器是在高速、重载、不断承受冲击交变载荷的恶劣工作条件下运转，故要求差速器的抗过载冲击及抗扭震性能要好。因此选择好合适的材料极为重要，兼顾二者机械性能要求，选择了有较高的蠕变强度和持久强度、韧性好、淬透性高、淬火变形小的42CrMo材料。表1为齿轮常用材料及机械性能对比。

为了保证新差速器能装配到原离心机的壳罩内，外形尺寸与原装差速器应基本一致。针对安装尺寸，通过测量，对连接部位和皮带轮重新加工，对接完全符合要求。

3.1.3加大齿轮模数，提高传递扭矩

我们在设计上充分考虑差速器在实际使用中容易出现的故障。进口离心机的一级行星机构中，齿轮模数是DP18比较小，相 当 于 公 制 模 数1.411mm（公制模数 =25.4/英制径节=25.4/18=1.411），要求材料的机械性能优良，加工精度高，机器振动小。不管是操作不当也罢，还是维修不及时也罢，在实际应用中，齿轮和齿圈磨损较快。鉴于国内的材料性能和机加工水平比国外差的现实，要保证改造后的齿轮可靠性好，必须相应加大齿轮模数。这样可以提高传动强度，使传递扭矩能力明显提高。根据一般齿轮国产化的经验，我们确定一级齿轮模数 m=1.75mm，20度压力角，硬度HRC50，二级齿轮选用模数m=3mm，20度压力角，硬度HRC50。从而有效提高了国产齿轮的强度，降低了齿轮被损坏的故障率。

3.1.3.1齿面接触疲劳强度校核

一级太阳轮的m=1.75，b=30mm，d1=22.75.z1=13，Z2=57，u=z2/z1=4.38，ψ=b/d1，

根据齿面接触疲劳强度公式〔1〕，查表知：材料系数ZE=189.8，节点啮合系数ZH=2.5，K=KAKVKβ=2.815，其中，查表知：使用系数KA=2.5，动载系数KV=1，载荷系数Kβ=1.125，该齿轮的最大转矩T1=526.3N.mm

按公式计算出材料的接触疲劳强度极限σH=826，根据齿轮线速度、齿面光洁度等条件，查表得，ZN=1，ZR=1，Zv=1，σ0H=1050MPa，取安全系数SH=1.1，计算出

许用应力[σ]H=（σ0H/SH）ZNZRZv=1050/1.1=954MPa

因为[σ]H>σ H，所以齿面接触疲劳强度足够。

3.1.3.2齿根弯曲疲劳强度校核

查表知该材料的弯曲疲劳强度极限σ0F=500MPa，安全系数SF=2，弯曲寿命系数YN=1，尺寸系数YX=1，计算出许用应力[σ]F=σ0FYNYX/SF=250MPa

查表知，YF=3.3，YS=1.5，计算得：=1.63mm〔1〕。我们采用的齿轮模数m为1.75大于1.63，因此，弯曲疲劳强度校核合格。其他齿轮的校核方法一致，校核计算省略。

3.1.4改变二级输出轴结构，防止污水串入差速器的润滑油中

FP6002RS/M卧螺离心机原装差速器二级输出轴采用输出花键一体的整轴方式，密封由花键轴上的油封进行密封。改造中我们采用输出轴分体式结构，即二级输出轴和花键轴分开，同样采用花键连接。密封由二级输出轴外圆骨架油封外加了一个O型圈密封。此结构，一方面保证在密封件损坏的情况下，不会出现物料直接倒灌进差速器污染润滑油，从而破坏差速器内部零件的情况发生。另一方面，由于增加了中间花键连接环节，可以使差速器-花键轴-螺旋之间有了缓冲间隙。在螺旋推料过载的情况下，减小对差速器内部结构和零部件的冲击。

3.1.5提高齿轮承载能力

FP6002RS/M卧螺离心机原装差速器一级行星减速齿轮轴瓦使用的是滚针轴承。这种轴承的承载能力较小，一旦损坏滚针就会卡在齿轮之间，引起齿轮损坏（我们就曾出现过这样的情况）。国内无法生产同质同型号的产品，一旦发生故障，短时间难以采购到位。因此我们将其改成国产的浸锑石墨滑动轴承。此材料耐磨性强，高速运转温升低，适用于高速、磨损厉害、润滑条件差的工作环境，抗载能力显著提高，并且在齿轮破损的情况下不会对其他零件产生破坏性影响。

3.1.6差转速的调整

改造后的齿轮尺寸比原差速器使用齿轮尺寸要大，主要是考虑国内钢材质量相对国外的会有差异，为保证齿轮运行强度，将尺寸放大。由此就导致了差速器速比数据跟原差速器有差异。FP6002RS/M离心机原装差速器速比为146，改造后的差速器速比为57。要维持原来的差转数，可采取两种措施，一是改变副电机与输入轴皮带轮的大小，维持电机转速不变，从而改变输入轴的转速。二是通过改变电机频率，调节副电机输出转速，改变输入轴的轉速，来维持原来的差转数。因改变皮带轮的大小，会增大副电机的力矩，需要改变原转矩控制逻辑，不好实现，且改变外形尺寸后，原来的保护罩也安装不上。如果采用调节副电机（输入电机）转速的办法，就要计算输入电机在极限转速下能否达到要求的差转速。差速公式：D（r）=（T-C）/transmissionratio，其中：

T---转鼓转速

C---螺旋转速

D（r）---差速

transmissionratio---齿轮传动比

在转鼓转速3400r/min不变时，（T-C）/2（副电机转速）在极限值1450r/min以内时，差速可以在6-50r/min之间，原来的差速是6-60r/min之间。且离心机在运行时的实际差速控制在8-11r/min左右，所以，采用调节副电机（输入电机）转速的办法完全可行。

用户事先通过控制面板输入设定的差速和转矩值。转矩（百分比）来自控制螺旋电机的变频器。差速则来自设备的接近开关。

差速和转矩控制如下：

COact

CO1

CO2

CO3

COact>CO4当过程值COact大于CO4，则离心机停止运行；〔2〕

改造后的差速器结构如图1所示。

3.2螺旋的改造

原来的螺旋材料是316，因该材料太软，其机械性能为：抗拉强度σb：≥480（MPa），条件屈服强度σ0.2≥177（MPa），硬度：≤28HRC。运行一年就磨损严重，螺旋与转鼓间隙达到了5mm（国标1mm）。此问题是导致推料不畅，转矩过大，停机频繁的主要原因。针对这个问题，我们采用了国内比较成功的技术，加大螺旋摩擦面材料的硬度。可供选择的方案有两个，一个是在螺旋上镶嵌异形陶瓷片。该方案最大的优点是硬度高，耐磨性强，最大的弱点是易破碎。一旦发生连接螺钉脱落或陶瓷片破碎，就会严重损坏转鼓内表面，甚至导致机器全面损毁。另一种方案是在螺旋先堆焊处理，使间隙缩小到允许值，再在表面喷涂薄薄的硬质合金层（在转鼓筋条上也做相同处理）的办法，再在转鼓内镶嵌的不锈钢筋条上也做相同处理，以提高其耐磨性，从而保护转鼓不被磨损。

4.结论

经过对离心机差速器和螺旋等部件进行技术改造，从结构设计上比进口差速器简单、紧凑，大大改善了加工工艺性能，而且标准化程度大大提高，齿轮的模数、轴承、骨架油封、螺栓等均采用公制标准系列，这样易于生产和加工，更易于保证零部件的加工和采购，同时拆装检修方便，承载能力大，均载效果好。经过一年多的运行检验，证明改造达到了机器运转平稳，运行温度低，噪音小，离心机长周期稳定运行的目的。

参考文献：

[1]杨黎明.《机械原理与机械零件》.

[2]《贝亚雷斯FP6002RS/M离心机说明书》.

作者简介：蒋立国，现任中石化长岭分公司储运作业部，设备副主任。