双螺杆挤出机花键轴断裂失效机理探析

双螺杆挤出机花键轴断裂失效机理探析

曹波

南京科亚化工成套装备有限公司

摘要：双螺杆挤出机在工程塑料的改性、造粒以及预混等生产中十分常见，其作为挤出机的重要构件，一旦发生失效，那么会给企业带来严重的经济损失，造成企业大量人员伤亡，威胁企业生产安全。本文根据双螺杆花键轴材料的理化检验结果，分析双螺杆花键轴断裂失效机理。

关键词：双螺杆挤出机；花键轴断裂；失效机理

引言

双螺杆挤出机在聚合加工中具有十分重要的地位，其高生产效率能够有效保证工程塑料质量。双螺杆挤出机结构及材料强度会对其运转生产重要影响，为预防事故放生，确保大型聚烯烃职评安全生产的高可靠性，促进企业安全生产技术进步。

1双螺杆花键轴材料的理化检验结果

1.1双螺杆花键轴断裂失效基本情况

本文所研究的对象则是聚烯烃改性混炼用双螺杆挤出机的右螺杆，螺杆花键轴发生断裂，具体断裂位置在第6以及第7节花键套筒之间，花键套筒与螺杆配合连接，受到螺杆花键轴断裂影响而产生裂纹。

1.2断口形貌分析

（1）螺杆轴断口宏观外貌

螺杆轴断为两节，螺杆轴两边的断口呈现出对称结构，通过观察较差一部分尺寸的螺杆轴，发现螺杆轴断口较为平整并且没有十分明显的塑性变形现象。断口平面与主轴线相垂直，具有明显的脆弱材料扭断特点。从裂纹扩展现象来看，锻炼源处形成人字条纹，由于人字条纹不断向外延伸，其条纹也逐渐开始变粗。由于疲劳台阶出现在裂纹源区和扩展区，这也能够说明螺杆轴在疲劳开裂的初始阶段产生的应力较大。

（2）螺杆轴断口微观外貌

工作人员将螺杆轴断口在产超声波清洗机中，利用丙酮溶液进行反复清洗，对断口微观形貌进行观察。在经过观察后发现，螺杆轴花键的裂纹区域具有十分明显的放射条纹，同时还伴有大量的放射台阶。此外，从裂纹区域内还能够发现一定数量的微孔，裂纹弧线具有连续分布和断续分布这两类形式，带有台阶的疲劳弧线和裂纹处于平行状态并向前延伸，这种现象能够充分说明螺杆轴疲劳破坏过程中存在十分明显的裂纹扩展，疲劳辉纹和裂纹的扩展方向处于垂直状态。此外，螺杆轴的瞬时断裂区域，甚至还存在二次裂纹及河流花样等现象^[1]。

2双螺杆花键轴断裂失效机理综合分析

2.1材料因素分析

在对失效的螺杆花轴键及螺纹元件进行试验研究，从中发现材料本身所存在的问题，这些问题会对螺杆轴锻炼失效造成一定影响。从断口形貌来看，螺杆花键轴的断裂源于花键齿根部位，并且有多个疲劳源，属于该区域的几何过渡区，容易存在应力集中现象。起裂位置有很多微孔聚集，不仅降低材料强度和连续性，也有利于裂纹向前扩展；从化学成分分析来看，螺杆花键轴的Si含量高于标准值，虽然提高螺杆花键轴强度和回火脆性，但是其韧性性能极大程度降低，耐腐蚀性下降，造成螺杆花键轴抵抗外力变形破坏的能力不断被削弱；从力学性能实验分析来看，螺杆画家周的断后收缩率为42.93%，低于标准数值的45%，这能够说明螺杆花键轴的性能未能达到其标准要求，抵抗外力引起的塑性变形能力变差，在裂纹扩展过程中加强疲劳裂纹的扩张；从金相组织分析来看，螺杆花键轴母材的金相组织集体为马氏体组织，主要为板条状分布的低碳马氏体。板条马氏体具有良好的强度和较好的塑性、韧性，螺杆花键轴边缘区域出现针状马氏体，虽然针状马氏体的硬度较大，但是其塑性和韧性不高，导致螺杆花键轴材料的力学性能在径向上存在差异^[2]。

由此可知，双螺杆挤出机的螺杆花键轴断裂的原因，主要源于芯轴花键齿根部存在局部应力集中现象，裂纹起源部位微孔聚集，螺杆花键轴的力学性能并不稳定，局部差异十分明显，再加上螺杆花键轴边缘硬度偏高，其韧性相对来说会更低，由此更易促成裂纹。

2.2扭转强度分析

根据轴的扭转强度理论可得校核螺杆花键轴扭转剪切盈利 的公式：

算式中：Mn为芯轴传递的扭矩，N·mm；P为功率，KW：n为转速，r·min^-1;Wp为抗扭截面模量，取 。

已知该挤出机的最大输入功率为830KW，运行转速范围为120-1200r·min^-1，螺杆花键轴外扩直径d为42.7mm。由于挤出机的运行转速在120-1200r·min^-1范围内变化，所以可得的范围是432.3-4323MPa。工厂在实际操作过程中，输入功率最大功率为65%，则可得输入功率为539.5KW，转速为1135120-1200r·min^-1，在轴的边缘处，所受的扭转剪切应力最大，计算可得最大扭转剪切应力为297.1MPa，仅为低扭强度的32.3%。抗拉强度的22.37%。可见轴体所受扭转剪切盈利远小于材料的抗扭强度和抗拉强度，这说明螺杆花键轴的断裂并不是由于过载引起的^[3]。

2.3双螺杆花键轴的扭转强度分析

当构件发生疲劳断裂时，起裂的部位一般位于构件的集合突变位置或者存在缺陷的部位，这些部位的存在会引起构件局部应力的显著增大，形成应力集中区域，大大增加裂纹出现的可能性，同时这也是发生疲劳断裂的最薄弱环节，在构件受到交变载荷时更易产生疲劳裂纹。

螺杆轴花键与轴光滑段的过渡部位以及花键齿根部，截面尺寸发生大小变化，使得应力集中系数较高，进而产生较高的局部应力，这类应力通常高于平均应力或者以最小截面计算出来的应力值，导致构件在低载荷下，即工作应力低于材料的疲劳极限时，发生早期皮来断裂。

为研究构件的局部应力集中现象的程度，这里引入理论应力集中系数K_t，可表示在应力集中部分最大局部应力与名义应力的比值，为数值小于1的无量纲数，计算公式如下所示：

算式中： 为应力集中处的最大局部应力， 为应力集中处截面的名义应力。

在同样大小的扭矩作用下，相同模数而不同齿数的螺杆芯轴的应力水平是不一样的。如图1所示，先是以模数为2，齿数为22的螺杆花键轴为例进行应力集中分析，定义花键齿根部最大应力位置为端点1，对应花键的齿顶为端点2。利用ANSYS里的应力线性化模块求解膜应力，得出应力集中处最大局部应力为493MPa，应力集中处截面的膜应力为216MPa，根据 得出花键齿根部的理论应力集中系数为：

对现有不同齿数的螺杆轴的理论应力集中系数做出对比分析，具体如表1所示。

表1 理论应力集中系数对比

从表中可得，齿数20 的螺杆花键轴的理论应力集中系数最大，其最大局部应力要比其他两类螺杆花键轴要高。由此可得，花键轴齿数越小，应力集中程度越严重，花键轴的强度具有严重的影响作用，降低螺杆花键轴的疲劳寿命，这是影响构建发生失效事故的重要因素。

2.4双螺杆花键轴的运行状况分析

从螺杆花键轴的安装以及维护情况来看，双螺杆挤出机在安装拆卸螺纹元件时，发现第一、第二块螺纹元件出现开裂损坏的情况，螺纹元件可以采用可燃气体进行加热后，利用紫铜棒敲打出来，这会使螺纹元件以及螺杆轴的强度受到影响，在更换螺纹元件后，双螺杆挤出机才能够挤出正常试车。

从在线检测记录情况来看，工厂检测到双螺杆挤出机的螺杆花键轴在发生断裂事故后的设备操作参数波动情况，发现挤出机的电流出现过几次不稳定的情况，在螺杆轴断裂事故发生前一段时间，双螺杆挤出机出现过多次断电跳闸的情况，挤出机入口处堆积填料，导致挤出机入口处堆积导致电流过高而跳闸停机。一旦挤出机跳闸，就会使螺杆轴和螺纹元件受到冲击，造成螺杆花键轴形成裂纹。

双螺杆挤出机在运行过程中，受到以上工艺及操作的影响因素长期作用，受到反复交变载荷后花键轴和螺纹元件在应力较大处的材料晶粒发生滑移，最终形成微裂纹，这些微裂纹在交变载荷的作用下不断扩展，最终导致花键轴断裂失效，螺纹元件受损。

结语

综上所述，本文对失效的螺杆花键轴从材料、工况以及疲劳等方面进行研究，在花键轴材料理化实验基础上，结合实际工况进行ANSYS数值模拟，并对双螺杆花键轴的疲劳特性进行研究，发现螺杆花键轴失效前发生高速运转并且承受较大工作用力。相关研究人员必须对双螺杆挤出机进行优化，缓解应力集中现象，保证材料的可靠性，有效防止双螺杆花键轴发生疲劳破坏的情况。

参考文献

[1]李会荣,李智.LT1350涂层线涂布钢辊疲劳断裂失效机理分析[J].山东科学,2020,33(03):82-86.

[2]陈鸿景.浅析高速双螺杆挤出机花键轴断裂失效机理[J].科技与创新,2020(08):144-145.DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.064.

[3]王雪婷. 离心压缩机齿轮断裂失效机理及对策措施研究[D].华南理工大学,2020.DOI:10.27151/d.cnki.ghnlu.2020.003741.