解析反应釜搅拌轴非正常情况发生断裂损坏原因

李宝林 邹仁飞 阮勇

摘 要：近年来，随着我国社会经济的蓬勃发展，我国化工机械设备制造业也迎来了快速发展的契机。对于反应釜搅拌装置来说，是化工生产过程必不可少的设备之一。

关键词：化工机械设备;反应釜搅拌装置;非正常情况;断裂损坏

在反应釜搅拌装置当中，搅拌轴为核心部件之一，主要负责对电机的动力进行驱动，然后经搅拌轴传导至搅拌叶片当中，使搅拌反应釜能够对化工生产的物料进行搅拌及反应。但是，在实际应用过程中，发现反应釜搅拌轴会发生断裂损坏的问题，进而影响装置的正常使用及使用寿命[1]。鉴于此，本课题围绕“反应釜搅拌轴非正常情况发生断裂损坏原因”进行分析研究具备一定的价值意义。

1 反应釜搅拌轴非正常情况发生断裂损坏情况分析

以某化工企业为例，所使用的自吸式组合搅拌釜在使用过程中，反应釜搅拌轴出现非常正常情况下的断裂损坏问题;该自吸式组合搅拌釜的主要指标参数为：容积为20mm3，搅拌釜直径为Φ2400mm，搅拌器直径为Φ650mm，电机功率为55kW，搅拌轴转速为260r/m，搅拌轴轴径为Φ120mm。

值得注意的是，该反应釜搅拌装置中的搅拌轴是在使用6个月后发生断裂损坏问题。针对搅拌轴断裂问题，维修专业技术人员针对其搅拌轴的直径进行强度校核计算，值得注意的是由于该装置为自吸式搅拌器，在气液交换方面，是通过在空心轴上开孔的方式实现。通过深入分析，结果显示：搅拌轴断裂位置，即为自吸式搅拌器的进气孔位置。

2 断裂损坏原因分析

针对上述提到的反应釜搅拌轴在非正常情况下所发生的断裂损坏问题，经维修专业技术人员的计算及分析，将两大原因排除之外：其一，掉轴强度不足问题;其二，材料质量问题。进一步通过分析，表明搅拌轴断裂摘要的原因为“疲劳断裂”，其具体原因如下：

由于搅拌轴上下端均安装了底部轴承，上轴承起到滚动的作用，下轴承则起到滑动摩擦的作用，属于简支梁结构;处于作业期间下，搅拌转速为260r/m，因设备搅拌轴偏长，搅拌轴上下轴度存在一些偏差，基于轴上安装自吸式搅拌器部位因存在通气孔，且这个部位偏薄，易形成集中应力。

对于轴来说，处于工作期间，主要受扭矩的影响，因搅拌轴和轴度之间有偏差存在，因此当轴处于高速作业状态下，也会遭遇弯矩的影响;同时，值得注意的是，由弯矩所呈现的弯曲应力为交变应力;如果轴所承受的转矩大小恒定不变，同时其方向也恒定不变，则由扭矩引发的扭转切应力，根据其循环特征可知，属于静应力;并且，基于气孔部位的特殊结构当中，会有应力集中情况呈现，这部分的应力可能对材料的许用应力要高;如果零件承受的应力比疲劳极限要高，每一次的载荷循环均会对零件产生一定程度的损伤，且此类损伤为可积累的;如果损伤累积至临界值，那么零件会产生疲劳破坏。

结合上述分析，再以线性疲劳积累理论为依据，从其中的帕姆格伦-迈因钠定理可看出，每一次疲劳损伤在线性累加的基础上，会形成总损伤;而对于轴的疲劳断裂来说，会经历多个过程，具体体现为：其一，萌生期，即疲劳裂纹的萌生;其二，扩展期，即亚临界扩展期;其三，失稳扩展期。

结合上述分析不难发现，对于反应釜搅拌装置，在使用6个月之后，随着轴的疲劳断裂时期不断的进展，便会导致其轴出现断裂损坏问题，使反应釜装置无法继续正常使用。

3 相关预防措施分析

根据以上对反应釜搅拌轴发生断裂损坏问题原因的分析，为了避免此类问题的发生，则有必要采取及时有效的预防措施，总结起来具体措施如下：

对于反应釜搅拌装置，在设计期间需遵守“严谨性”的态度;基于设计允许的条件下，确保设计安全系数的合理，满足设计标准要求。

针对搅拌轴，需进行预判，即预判其有无存在疲劳断裂的可能性;同时采取更换不同加工工艺的方式，使材料的疲劳性能得到有效改善;并且，基于实践操作期间，还有必要加强分析试验，使反应釜搅拌轴发生断裂损坏的风险降至最低化。

针对反应釜搅拌装置，还有必要定期进行维护，对固定螺栓进行检查，观察、分析有无松动，避免搅拌器出现摆动量增大的情况，进而使反应剧烈震动的出现得到有效避免;并加强桨叶的固定处理，确保其与搅拌轴之间维持垂直关系，将其垂直度误差控制在<0.4%范围内。此外，对搅拌器是否腐蚀进行定期检查，并定期检查是否存在一些质量缺陷，比如裂纹、松脱以及变形等等;如果存在，及时对症处理，确保反应釜搅拌装置运行的质量及安全性。

综上所述，反应釜搅拌轴基于非正常情况下发生断裂损坏，其主要原因为疲劳断裂。为了使反应釜搅拌轴断裂損坏的发生得到有效预防，则需合理科学设计，加强对搅拌轴在运行期间的故障预判，并且还有必要做好定期维护作业，以此使反应釜搅拌轴断裂损坏的发生得到有效避免，进一步提高反应釜搅拌装置的实用价值及使用寿命。

参考文献：

[1]官星辰，刘航，马鲁宁，赵东亚.连续搅拌反应釜离散模型辨识与滑模控制[J].控制工程，2019，26（03）：440-447.