论文部分内容阅读
[摘 要]本文首先阐释了螺杆运行情况，从宏观和微观分析了挤出机螺杆断裂的原因，从螺杆和机筒两个角度分析了螺杆的修复。
[关键词]挤出机螺杆 断裂 原因
中图分类号：O346.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0049-01
单螺杆挤出机是在加热料筒中装一根转动的螺杆，料筒外部分区设有加热和冷却装置，一端有径向加料口，另一端轴向与机头相连。螺杆是挤出机的关键部件。单螺杆挤出机主要技术参数是螺杆直径、长径比（螺杆长度与直径之比）、螺杆转速范围、驱动电机功率、料筒加热功率和机器生产能力。螺杆直径决定挤出机的生产能力和制品容许最大截面。不同物料要求不同几何形状的螺杆和长径比。现代塑料挤出机广泛采用组合型螺杆、分配混合型螺杆，以及在螺杆上加屏障物或销钉等，以改善塑化，提高生产能力和产品质量。螺杆和机筒这两个零件的组合工作质量，对物料的塑化、制品的质量和生产效率，都有重要影响。它们的工作质量与两个零件的制造精度、装配间隙有关。当两零件磨损严重、挤出机的产量下降时，就应该安排对螺杆、机筒的维修。
1 螺杆运行情况
1.1 螺杆挤出聚酯薄膜生产情况
该设备生产双向拉伸聚酯薄膜，原料按一定比例充分混合后，送到挤出机料筒，原料在料筒加热和螺杆挤压下塑化，在螺杆作用下连续混合挤出。
1.2 螺杆运行参数
螺杆运行速度为30～100r/min；螺杆运行温度为270～290℃；螺杆运行挤出压力为0～18MPa；螺杆挤出原料为聚酯切片等等。
1.3 螺杆运行载荷分析
聚酯薄膜挤出机螺杆的原理是将颗粒状切片在螺旋槽内均匀混合，通过料筒加热和螺杆剪切把聚酯切片塑化，最后把混合和塑化均匀的物料往模具挤出成型。螺杆温度为270～290℃，考虑到加热温度较低，热应变忽略不计。螺杆向内异向旋转，在生产螺杆的受力情况下，挤出机在每一次启动过程中，由于前一次留在螺旋槽内的剩余物料在合理工艺温度下硬度较大，需要较大的启动力矩才能使螺杆运转起来。另外，螺杆表面有明显凹坑，螺棱顶部的合金层也有伤痕，说明原料含有硬质杂物使螺杆运转条件恶化。
综上所述，螺杆是在较高的负荷应力下运转，但运转速度较低，故它是在高应力和较低的交变频率作用下运行。每一次启动运行都会产生一定量的塑性应变。螺杆每一次受到硬物阻碍也会产生一定塑性变形，这种塑性变形对螺杆的损害要比启动时严重得多，再加上由于螺杆长时间受到挤压、摩擦造成的塑性应变，在反复塑性应变作用下，螺杆内部损伤积累到一定程度便形成裂纹，当裂纹扩展到临界尺寸，螺杆剩余断面不足以承受螺杆运转负荷时，裂纹失稳扩展导致突然脆性断裂。
2、挤出机螺杆断裂的原因分析
2.1 螺杆宏观断口原因分析
从宏观断口形貌分析，螺杆断裂属低周疲劳破坏。断面上可明显看到有三个区域：疲劳裂纹源；疲劳裂纹扩展区；瞬时断裂区。疲劳裂纹源可发生在应力集中的螺杆齿根、表面龟裂处以及内部夹杂物处。螺杆疲劳裂纹源很小，是疲劳裂纹的核心区。从照片可清楚看到，螺杆疲劳裂纹在螺杆根部应力集中处，缺陷螺杆根部周长度为12mm，轴向的宽度达3mm，深度大于2mm，总面超过20mm2，但不到断口面积的10%。渗氮硬化层龟裂。疲劳裂纹在该区缓慢扩展，最初断口表面由于受到反复交变应力的作用，被摩擦得较为平滑、光亮，然后出现贝壳纹花样。贝壳纹大体上垂直于裂纹的扩展方向，向整个空心圆周推进。壳纹（疲劳弧线）之间的间距大小不等。在大小不等的交变应力的反复作用下，裂纹扩展过程不连续变化所留下的宏观痕迹，是由挤出机的开车、停车、硬物阻碍螺杆等载荷改变所造成的。通常疲劳裂纹扩展区面积占断口面积的98%，符合疲劳裂纹的基本特征。当圆周两边壳纹（疲劳弧线）接近相切，裂纹扩展到净断面的应力达到螺杆的断裂应力时，螺杆被切断。断面有明显的台阶，这部分的面积约占整个断口面积的1%。
2.2 螺杆微观断口原因分析
对螺杆断口的疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区进行扫描电子显微镜形貌分析。
2.2.1疲劳裂纹扩展区断口微观形貌分析
疲劳裂纹扩展区的整个断面是疲劳裂纹扩展的结果。通常可清楚地看到疲劳条纹呈方向性连续或断续分布，带台阶的疲劳条纹平行于裂纹前缘而延伸，疲劳条纹垂直于裂纹的扩展方向。这些都是破坏过程中裂纹扩展的微观痕迹。
一个疲劳条纹对应着一个应力循环。螺杆断口的疲劳裂纹扩展区的疲劳条纹基本都是脆性条纹，条纹之间的间隔相当于一个应力循环扩展的长度。由断口表面向内部扩展的细小裂纹，称为二次裂纹，二次裂纹由一次裂纹发展成的孔洞缺陷。
2.2.2瞬间断裂区断口微观开貌分析
瞬间断裂区为脆性解理断口，断面上可见解理台阶、河流花样、解理舌头和二次裂纹，找不到韧窝。
3、挤出机螺杆的修复
扭断的螺杆要根据机筒的实际内径来考虑，按与机筒的正常间隙给出新螺杆的外径偏差进行制造。磨损螺杆直径缩小的螺纹表面经处理后，热喷涂耐磨合金，然后再经磨削加工至尺寸。这种方法一般有专业喷涂厂加工修复，费用还比较低。在磨损螺杆的螺纹部分堆焊耐磨合金。根据螺杆磨损的程度堆焊1～2mm厚，然后磨削加工螺杆至尺寸。这种耐磨合金由C、Cr、Vi、Co、W和B等材料组成，增加螺杆的抗磨损和耐腐蚀的能力。专业堆焊厂对这种加工的费用很高，除特殊要求的螺杆，一般很少采用。修复螺杆也可用表面镀硬铬方法，铬也是耐磨和抗腐蚀的金属，但硬的铬层比较容易脱落。
机筒的内表面硬度高于螺杆，它的损坏要比螺杆来得晚。机筒的报废就是内径直径由于时间磨损而增大。它的修复方法如下：因磨损增加直径的机筒，如果还有一定的渗氮层时，可把机筒内孔直接进行镗孔，研磨至一个新的直径尺寸，然后按此直径配制新螺杆。机筒内径经机加工修整重新浇铸合金，厚度在1～2mm间，然后精加工至尺寸。一般情况下机筒的均化段磨损较快，可将此段（取5～7D长）经镗孔修整，再配一个渗氮合金钢衬套，内孔直径参照螺杆直径，留在正常配合间隙，进行加工配制。在这里强调一点，螺杆和机筒这两个重要零件，一个是细长的螺纹杆，一个是直径比较小而长的孔，它们的机械加工和热处理工艺都比较复杂，精度的保证都比较困难。所以，对这两个零件的磨损后是修复还是更换新件，一定要从经济角度全面分析。如果修理费用比换新螺杆费用低些，就决定修，这不一定是正确的选择，修理费用与更新费用的比较，只是一个方面。另外还要看修理费用与修理后使用螺杆时间与更新費用和更新螺杆使用时间的比值。
参考文献
[1]张涛.单螺杆挤出机的螺杆几何学[J].中国科技博览，2012，40（4）：69-72.
[2]李红.单螺杆挤出机传动系统结构探讨[J].工程塑料应用，2011，39（5）：91-94.
[3]林桂强.高扭矩高槽深比同向单螺杆挤出机传动系统设计原理及性能研究[D].北京：北京化工大学，2012.
[关键词]挤出机螺杆 断裂 原因
中图分类号：O346.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0049-01
单螺杆挤出机是在加热料筒中装一根转动的螺杆，料筒外部分区设有加热和冷却装置，一端有径向加料口，另一端轴向与机头相连。螺杆是挤出机的关键部件。单螺杆挤出机主要技术参数是螺杆直径、长径比（螺杆长度与直径之比）、螺杆转速范围、驱动电机功率、料筒加热功率和机器生产能力。螺杆直径决定挤出机的生产能力和制品容许最大截面。不同物料要求不同几何形状的螺杆和长径比。现代塑料挤出机广泛采用组合型螺杆、分配混合型螺杆，以及在螺杆上加屏障物或销钉等，以改善塑化，提高生产能力和产品质量。螺杆和机筒这两个零件的组合工作质量，对物料的塑化、制品的质量和生产效率，都有重要影响。它们的工作质量与两个零件的制造精度、装配间隙有关。当两零件磨损严重、挤出机的产量下降时，就应该安排对螺杆、机筒的维修。
1 螺杆运行情况
1.1 螺杆挤出聚酯薄膜生产情况
该设备生产双向拉伸聚酯薄膜，原料按一定比例充分混合后，送到挤出机料筒，原料在料筒加热和螺杆挤压下塑化，在螺杆作用下连续混合挤出。
1.2 螺杆运行参数
螺杆运行速度为30～100r/min；螺杆运行温度为270～290℃；螺杆运行挤出压力为0～18MPa；螺杆挤出原料为聚酯切片等等。
1.3 螺杆运行载荷分析
聚酯薄膜挤出机螺杆的原理是将颗粒状切片在螺旋槽内均匀混合，通过料筒加热和螺杆剪切把聚酯切片塑化，最后把混合和塑化均匀的物料往模具挤出成型。螺杆温度为270～290℃，考虑到加热温度较低，热应变忽略不计。螺杆向内异向旋转，在生产螺杆的受力情况下，挤出机在每一次启动过程中，由于前一次留在螺旋槽内的剩余物料在合理工艺温度下硬度较大，需要较大的启动力矩才能使螺杆运转起来。另外，螺杆表面有明显凹坑，螺棱顶部的合金层也有伤痕，说明原料含有硬质杂物使螺杆运转条件恶化。
综上所述，螺杆是在较高的负荷应力下运转，但运转速度较低，故它是在高应力和较低的交变频率作用下运行。每一次启动运行都会产生一定量的塑性应变。螺杆每一次受到硬物阻碍也会产生一定塑性变形，这种塑性变形对螺杆的损害要比启动时严重得多，再加上由于螺杆长时间受到挤压、摩擦造成的塑性应变，在反复塑性应变作用下，螺杆内部损伤积累到一定程度便形成裂纹，当裂纹扩展到临界尺寸，螺杆剩余断面不足以承受螺杆运转负荷时，裂纹失稳扩展导致突然脆性断裂。
2、挤出机螺杆断裂的原因分析
2.1 螺杆宏观断口原因分析
从宏观断口形貌分析，螺杆断裂属低周疲劳破坏。断面上可明显看到有三个区域：疲劳裂纹源；疲劳裂纹扩展区；瞬时断裂区。疲劳裂纹源可发生在应力集中的螺杆齿根、表面龟裂处以及内部夹杂物处。螺杆疲劳裂纹源很小，是疲劳裂纹的核心区。从照片可清楚看到，螺杆疲劳裂纹在螺杆根部应力集中处，缺陷螺杆根部周长度为12mm，轴向的宽度达3mm，深度大于2mm，总面超过20mm2，但不到断口面积的10%。渗氮硬化层龟裂。疲劳裂纹在该区缓慢扩展，最初断口表面由于受到反复交变应力的作用，被摩擦得较为平滑、光亮，然后出现贝壳纹花样。贝壳纹大体上垂直于裂纹的扩展方向，向整个空心圆周推进。壳纹（疲劳弧线）之间的间距大小不等。在大小不等的交变应力的反复作用下，裂纹扩展过程不连续变化所留下的宏观痕迹，是由挤出机的开车、停车、硬物阻碍螺杆等载荷改变所造成的。通常疲劳裂纹扩展区面积占断口面积的98%，符合疲劳裂纹的基本特征。当圆周两边壳纹（疲劳弧线）接近相切，裂纹扩展到净断面的应力达到螺杆的断裂应力时，螺杆被切断。断面有明显的台阶，这部分的面积约占整个断口面积的1%。
2.2 螺杆微观断口原因分析
对螺杆断口的疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区进行扫描电子显微镜形貌分析。
2.2.1疲劳裂纹扩展区断口微观形貌分析
疲劳裂纹扩展区的整个断面是疲劳裂纹扩展的结果。通常可清楚地看到疲劳条纹呈方向性连续或断续分布，带台阶的疲劳条纹平行于裂纹前缘而延伸，疲劳条纹垂直于裂纹的扩展方向。这些都是破坏过程中裂纹扩展的微观痕迹。
一个疲劳条纹对应着一个应力循环。螺杆断口的疲劳裂纹扩展区的疲劳条纹基本都是脆性条纹，条纹之间的间隔相当于一个应力循环扩展的长度。由断口表面向内部扩展的细小裂纹，称为二次裂纹，二次裂纹由一次裂纹发展成的孔洞缺陷。
2.2.2瞬间断裂区断口微观开貌分析
瞬间断裂区为脆性解理断口，断面上可见解理台阶、河流花样、解理舌头和二次裂纹，找不到韧窝。
3、挤出机螺杆的修复
扭断的螺杆要根据机筒的实际内径来考虑，按与机筒的正常间隙给出新螺杆的外径偏差进行制造。磨损螺杆直径缩小的螺纹表面经处理后，热喷涂耐磨合金，然后再经磨削加工至尺寸。这种方法一般有专业喷涂厂加工修复，费用还比较低。在磨损螺杆的螺纹部分堆焊耐磨合金。根据螺杆磨损的程度堆焊1～2mm厚，然后磨削加工螺杆至尺寸。这种耐磨合金由C、Cr、Vi、Co、W和B等材料组成，增加螺杆的抗磨损和耐腐蚀的能力。专业堆焊厂对这种加工的费用很高，除特殊要求的螺杆，一般很少采用。修复螺杆也可用表面镀硬铬方法，铬也是耐磨和抗腐蚀的金属，但硬的铬层比较容易脱落。
机筒的内表面硬度高于螺杆，它的损坏要比螺杆来得晚。机筒的报废就是内径直径由于时间磨损而增大。它的修复方法如下：因磨损增加直径的机筒，如果还有一定的渗氮层时，可把机筒内孔直接进行镗孔，研磨至一个新的直径尺寸，然后按此直径配制新螺杆。机筒内径经机加工修整重新浇铸合金，厚度在1～2mm间，然后精加工至尺寸。一般情况下机筒的均化段磨损较快，可将此段（取5～7D长）经镗孔修整，再配一个渗氮合金钢衬套，内孔直径参照螺杆直径，留在正常配合间隙，进行加工配制。在这里强调一点，螺杆和机筒这两个重要零件，一个是细长的螺纹杆，一个是直径比较小而长的孔，它们的机械加工和热处理工艺都比较复杂，精度的保证都比较困难。所以，对这两个零件的磨损后是修复还是更换新件，一定要从经济角度全面分析。如果修理费用比换新螺杆费用低些，就决定修，这不一定是正确的选择，修理费用与更新费用的比较，只是一个方面。另外还要看修理费用与修理后使用螺杆时间与更新費用和更新螺杆使用时间的比值。
参考文献
[1]张涛.单螺杆挤出机的螺杆几何学[J].中国科技博览，2012，40（4）：69-72.
[2]李红.单螺杆挤出机传动系统结构探讨[J].工程塑料应用，2011，39（5）：91-94.
[3]林桂强.高扭矩高槽深比同向单螺杆挤出机传动系统设计原理及性能研究[D].北京：北京化工大学，2012.