贾传兵
中国石化仪征化纤有限责任公司合纤一部 江苏省仪征市 211900
【摘要】本文叙述了ZHV765A型铺丝机原理及在涤纶短纤维后处理联合机的单元机中作用，详细分析了该铺丝机的传动辊轴失效原因以及所采取的相应措施。
【关键词】铺丝机 轴失效 原因分析 措施
1、概述及生产工艺流程
ZHV765A型铺丝机是短纤中心150t/d涤纶短纤维后处理联合机的单元机之一。主要作用是将经卷曲机卷曲过的丝束输送至松弛热定型机，并均匀地铺在松弛热定型机的链板上。铺丝机运行的好坏直接影响到纺丝产品的质量及整条生产线的运转。
短纤中心17K始建于1993年6月，原设计是短纤、中空柔性直接纺生产线，品种为无硅6.67dtex*32mm、无硅6.67dtex*64mm以及半消光缝纫线1.33dtex*38mm，生产工艺流程为：
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随着市场对赛羽绒、赛丝棉产品需求的不断扩大，20K的生产量已不能满足市场需求，特别是四季度供需矛盾尤其突出，考虑到20K其它差别化短纤的排产，必须将赛羽绒、赛丝棉产品转至大生产线生产。2007年为了能将公司所开发新产品赛丝棉在150t/d的生产线上生产，短纤中心决定对17K工艺流程进行了较大的改动，现有工艺路线基本满足生产要求，但部分设备有许多对生产和工艺不相适应的地方。主要表现在由于17K生产赛丝棉是切断后再定型，定型过程中烘箱内风的大小、方向对短纤维影响非常大，控制不当容易造成飞棉、漏棉；这使得定型机不具备稳定生产赛丝棉的运行条件；因此将生产工艺流程改为先定型后切断，增加一台ZHV765A型铺丝机（见图1）。生产的主要品种为1.33dtex赛丝棉、半消光缝纫线1.33dtex*38mm。
改造后工艺流程简图：
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2、ZHV765A型铺丝机(图1)工作原理
本机主要由输送带传动装置、摆动支撑装置和移动支撑装置组成；铺丝运动由输送带传动装置的纵向运动与摆动支撑装置的横向运动合成完成，松弛热定型机的链板匀速直线运动，输送带的丝束就均匀地铺在链板上。输送带传动装置通过减速机、同步带驱动主动辊并拖动输送皮带传送从卷曲机出来的丝束。摆动支撑装置由装在支架上的电机驱动曲柄连杆机构，支撑并带动摆臂运动，使输送带上丝束铺满松弛热定型机的链板。移动支撑装置由机架通过轴承支撑摆臂，并通过移动抵消由于摆臂运动造成的摆臂过定位。该铺丝机有一纠偏托辊，当输送带跑偏时利用其角度来调整。主要技术参数如下：
车别：右手；型式：上铺式；铺丝速度：max：70m/min；摆臂频率：max：16次/min；输送带规格：（长*宽*厚）9640*600*2.5（mm）；电机功率：主电机1.5KW、辅电机1.5KW；机器重量：1.5t；外形尺寸；4750*2782*2320（mm）。
3、ZHV765A型铺丝机在运行中出现的故障
在17K运行过程中，2008年5月至8月ZHV765A型铺丝机出现4次故障，现象为铺丝机传动辊不转，输送带不再运转，铺丝机无法在松弛热定型机的链板上进行铺丝，造成17K整条线生产无法进行。检查发现故障原因都为传动辊轴断裂，轴承状况良好，故障频次为一月一次，严重影响生产线生产运行。ZHV765A型铺丝机传动辊的结构见图2，轴的结构见图3。
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4、原因分析
轴的破坏方式主要有疲劳、腐蚀、磨损、撞击、微动、蠕变等。ZHV765A型铺丝机传动辊轴几次断裂断裂位置都在轴径变化处（装轴承的位置），检查断裂后的轴与轴承配合良好，轴承完好，轴没有明显的腐蚀、磨损，此轴正常运转时无外界撞击，初步理解为疲劳破坏。初步判定原因是轴无法承受此处的集中应力。下面从生产过程来分析原因。
当铺丝机正常运行时，主电机带动传动辊并拖动输送皮带运转，铺丝机纵向运动与摆动支撑装置的横向运动合成，松弛热定型机的链板匀速直线运动，输送带上从卷曲机出来的丝束被均匀地铺在松弛热定型机的链板上（见图4）。
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按照流程，铺丝机前面是卷曲机，它的作用就是将经牵伸后丝束通过卷曲辊与卷曲箱,使丝束受到挤压获得均匀卷曲,使纤维具有一定的抱合力。当卷曲机由于各种原因夹丝时，有部分丝束被夹在卷曲机内，由于丝束连续，这部分丝束的后面部分仍被铺丝机的输送皮带输送，铺在松弛热定型机的链板上，因链板宽度为2000mm，而铺丝机的输送皮带宽度为600mm，被夹住的丝束就容易因铺丝机摆动而缠入传动辊的轴承座内（见图5）。缠辊后，主电机仍继续工作。
当铺丝机传动辊缠住不转时传动轴的受力简图：
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由图7可知弯矩最大点在B点处，由于截面Ⅰ直径为32mm，截面Ⅱ的直径为25mm（见图3），因而截面Ⅱ最危险。
轴的材料种类很多，主要根据是对轴的强度、刚度、耐磨性的要求，轴的常用材料有Q235、Q275、35、45、40Cr等。该铺丝机传动辊轴材质为Q235。传动辊轴最大速度为150/min，功率为1.5KW，轴上有一个键槽，轴径需相应加大7%，根据轴径计算公式
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（A 为系数值见表一、n为转速、P为功率）
得出d≥36.9mm。从结果得知：若使用Q235制作该轴，轴径最小必须大于36.9mm，而该铺丝机的传动辊轴原设计的截面Ⅱ直径为25mm，小于该轴所需的最小直径，即轴截面Ⅱ处不能承受因缠辊而造成的力，因而容易造成轴失效断裂。
由此得知，铺丝机正常运转时传动辊运行良好。传动辊轴失效断裂是由于铺丝机缠辊造成的，而铺丝机缠辊是由于铺丝机输送带上丝束不正常引起的，铺丝机输送带上丝束不正常是由于卷曲机夹丝引起的。因此，要解决传动辊轴失效断裂，必须解决以下几个问题：
（1）及时发现并处理铺丝机缠辊，并从制度上确定。
（2）卷曲机夹丝的机率尽可能降低,进而减少铺丝机缠辊机率；
（3）加大铺丝机传动辊轴的强度，消除薄弱点；
5、改善措施
针对上面的原因，采取相应的措施。
（1）及时发现并处理铺丝机缠辊。
从制度上规范人员。根据短纤中心全面生产维护（TPM）工作计划和检查考核细则的总要求，结合装置横班制管理的实际情况，完善装置巡检基准。全面生产维护强化人员的责任落实、素质的提高，从生产、工艺、质量、设备、安全等多方面着手，结合装置的标杆装置等内容，不断提高现场精细化管理水平，提高规范化操作水平，开展“6S”管理（整理、整顿、清扫、清洁、安全、素养）和“6H”清除六源活动（污染源、清扫困难源、故障源、浪费源、缺陷源、危险源）。提倡自主维护和现场持续改进，达到提高现场操作人员精细化操作和设备维护的意识和技能，有效落实短纤装置设备维护“五要素”（即巡检、清洁、紧固、润滑、密封），将现场设备的日常维护工作（设备巡检、设备卫生和简单维护）包机到人，调动和激发生产一线普通员工的自主维护意识和工作热情，不断改进和提高现场管理水平。主要内容有： 设备巡检、了桶作业、定期作业、计划检修。
利用可能的时间，定期检查铺丝机的传动辊的状况，清理轴径处的缠丝。运行过程中，加大对铺丝机巡检次数，发现丝束异常及时处理。通过推进TPM活动，提出创建完好装置的步骤并逐步推进，使机电仪以及操作人员更好地了解设备，关心设备，提高处理故障的能力，保证包括铺丝机在内的设备受控运行。从制度、人员方面及时发现并处理铺丝机缠辊，保证铺丝机平稳运行。
（2）改善卷曲机的状况，减少卷曲机夹丝的机率，从而减少铺丝机缠辊机率。
卷曲机夹丝的原因较多，要逐一加以区分处理，主要有两类。一类为卷曲机各机件的异常磨损或损坏，主要有卷曲辊出现变形或裂纹、卷曲辊表面异常磨损、卷曲辊端面异常磨损、卷曲辊的轴承损坏、卷曲刀刀刃出现缺口等。这些主要由于：a、卷曲辊跳动或由于卷曲刀固定不稳，使辊与刀相碰，造成卷曲辊损伤；b、进入卷曲机的丝束夹带有浆块，对卷曲辊的表面造成磨损；c、叠丝效果差，进入卷曲机的丝片厚薄严重不匀，造成卷曲辊振动、同时加剧了辊卷曲表面的不均匀磨损；d、卷曲刀故障．使丝柬不能及时从卷曲辊上剥离，造成缠丝而使卷曲辊表面磨损加剧；e、由干操作人员在处理毛丝、浆块时不慎用钩刀碰伤卷曲辊面，造成卷曲辊表而损伤。
另一类为卷曲机各机件的间隙变化，主要有上下卷曲辊间隙变大或变小，卷曲辊与铜侧板之间的间隙变化，卷曲箱出口的上下板之问的间隙变化。其原因是调整侧板的螺栓出现松动，或调整铜带的螺钉松动或过紧。
消除以上原因，主要利用后纺计划检修时间，加强日常维护，定期检查卷曲机有无异常声响、振动，检查调整卷曲机各间隙值，使之符合正常生产的要求，定期检查各部件有无松动、变形，挡丝棒调整是否灵活，定位是否可靠．卷曲辊表面及侧面是否有异常伤痕；检查油剂供给、供水、润滑系统等是否畅通．及时清洗各种滤网；定期更换磨损的卷曲刀，对卷曲辊的轴向串动和错位情况要及时调整．对回转接头和铜带进给机构进行检查调整，更换损坏件；拆装卷曲机时严禁碰伤上下卷曲辊．主、背压气缸动作须平稳，严禁给气和排气时对卷曲辊和卷曲刀产生冲击。在操作中必须保证入口丝束宽度和厚度均匀．丝束中心线与卷曲辊中心线一致，并及时观察卷曲效果进行必须的调整。操作人员加大对卷曲机的日常巡检频次，发现夹丝及时检查卷曲机状况，若操作人员不能处理，及时通知化纤分公司卷曲班来处理，尽可能减少铺丝机因卷曲机造成的缠辊。现在短纤中心通过TPM活动强化操作人员日常巡检。
（3）为了解决轴失效断裂问题，消除薄弱点，决定将传动辊轴的材质Q235改为40Cr。
查机械设计手册得知：Q235主要用于不重要或载荷不大的轴，鉴于Q235不能满足该铺丝机对传动辊轴的要求，根据17K的铺丝机的环境状况，连续运行，无很大冲击力，决定将轴的材质改为40Cr，并进行调质处理，40Cr主要是用于载荷较大，无很大冲击力的轴，其许用扭转剪应力、屈服点、许用疲劳应力与Q235相比有较大提高（见表一）。
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得出d≥23.21mm。从计算结果可知，若采用40Cr制作该轴，截面Ⅱ附近只须大于23.21mm即可。为了增加该轴的安全系数，我们还将轴承座（即B点）及附近的轴径加大至35mm，完全满足了铺丝机对该轴的要求。2009年9月，该铺丝机的传动辊使用了40Cr制作的轴（新传动辊的结构见图8），新轴的安全系数较大，确保了铺丝机的偶尔缠辊也不会使传动辊轴断裂失效，消除了轴的薄弱点。
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6、效果及总结
从多方面考虑了引起铺丝机传动辊轴断裂的因素，并加以一一处理。由于加大了对卷曲机定期检查，确保了卷曲机的运行状况良好，有效地减少了卷曲机的夹丝，从而大大降低了铺丝机缠辊的几率。现推行TPM活动，加强了全员对设备的关心程度，铺丝机缠辊的几率更低了。更换了轴的材质并增大了轴径，增强了轴的强度，偶尔的铺丝机缠辊不能使轴断裂失效。ZHV765A型铺丝机运行一年来传动辊轴未发生断轴、磨损、裂痕等故障，期间利用检修时间检查传动辊轴的状况，未裂纹、磨损等情况，有效地保证了17K生产线生产运行。
通过解决铺丝机传动辊轴断裂的处理，对同类轴失效的处理有了清晰的思路：除考虑设备本身的因数，还要考虑前后道生产流程的影响以及操作人员的状况，也就是人机料法环，就能取得效果，解决问题。
参考文献：
1、单辉祖主编的《材料力学教程》第二版
2、成大先主编的《机械设计手册》单行本《轴及其联接》化学工业出版社 2004.1
3、中国石油化工集团公司人事部编写《涤纶短纤维纺丝工》 2008.8