Капитальный ремонт шнековой пары экструдеров
В случае значительной потери производительности вследствие износа или аварийной поломки деталей шнековой пары экструдера возможны два выхода из сложившейся ситуации – заказ и покупка деталей или же их ремонт. Выбор первого варианта решения проблемы зачастую связан с большими потерями средств и времени. Дело в том, что ввиду слабой и отсталой машиностроительной базы современной России подавляющее количество работающих на российских предприятиях и поступающих на внутренний рынок экструдеров являются зарубежными, разноо- бразными по конструкции и качеству и, в том числе, уже бывшими в эксплуатации. Это вынуждает обращаться к услугам зарубежных поставщиков повторно за комплектацией дорогостоящими запасными деталями для ремонта экструдеров.
Другим вариантом решения указанной проблемы является капитальный ремонт. Шнеки и цилиндры экструдеров вполне ремонтопригодны – как в случае износа, так и при аварийной поломке, что позволяет продолжить эксплуата- цию экструдера на протяжении определенного времени или до получения новых деталей.
Актуальности данной проблеме добавляют существующий в настоящее время режим санкций и современное состояние российской экономики, в том числе в секторе индустрии полимерных материалов. Девальвация рубля делает невыгодным приобретение ремонтных комплектов к работающим в России экструдерам не только на Западе, но и, например, в Китае.
1. Ремонтопригодность шнековой пары
Конструктивные особенности совместно работающих шнека и цилиндра экструдера, наряду с характером эксплуатационных повреждений и поломок, определяют их ремонтопригодность, а именно, выбор технологии ремонта, его трудоемкость и стоимость. Ремонтопригодность во многом зависит от свойств металла, из которого сделаны шнек и цилиндр, а также от свойств упрочненной рабочей поверхности этих деталей. При этом обычно используются стали с содержанием углерода С = 0,3–0,4 %, легированные хромом и никелем (Cr = 2–3 %, Ni = 0,4–0,7 %), обеспечивающими достижение высоких механических свойств при термообработке (закалка с отпуском до твердости по сечению 25–30 HRC, которая позволяет производить последующую мехобработку) и сохранение запаса вязкости разрушения при возможных длительных нагревах свыше 250 оС благодаря легированию молибденом (Mo = 0,3–0,5 %) и добавкам вольфрама или ванадия для измельчения структуры металла. Этим требованиям отвечают стали, используемые для изготовления орудийных стволов, или их гражданские аналоги типа 38ХН3МФА (по оценке НИИ Стали, ближайшим отечественным аналогом немецкой стали для изготовления шнековых пар является марка 30Х3МФ). Вышеуказанные стали относят к группе «азотируемых», то есть способных образовывать износостойкие нитриды на поверхности деталей при длительной выдержке в смеси азота и диссоциированного аммиака при темпе- ратурах 300–450 оС. При этом твердость слоя снижается по экспоненте от максимальной на поверхности (700–800 HV5) до твердости сердцевины на глубине 0,3–0,5 мм. Сталь 38Х2МЮА, зачастую используемая для изготовления шнековых пар, способна давать твердость на поверхности до 1100 HV5 благодаря нитридам алюминия (Al = 0,7–1,1 %), которые, однако, слишком хрупкие и подвержены сколам на кромках. Поэтому, как правило, рабочая поверхность шнековых пар подлежит шлифованию на глубину 0,05 мм, после чего ее твердость становится сопоставима с твер- достью вышеуказанных сталей. Износ шнековой пары приводит к возрастанию противотока расплава перераба- тываемого полимерного материала через щель между гребнем шнека и гладкой внутренней поверхностью цилин- дра. Давление на выходе падает, а сохранение производительности экструдера за счет увеличения числа оборотов шнека ведет к возрастанию энергопотребления и ограничено возможностями привода.
2. Ремонт шнековой пары в случае износа
2.1. Ремонт изношенного шнека
Износ гребня винта по длине шнека является обычно неравномерным и зависит от ряда факторов, основными из которых являются:
• изменение твердости металла по глубине поверхностного слоя;
• наличие твердых примесей в перерабатываемом полимерном материале;
• нарастание осевого давления по мере продвижения материала по шнеку;
• вид соединения шнека с валом привода (шпоночное или шлицевое);
• масса шнека, отношение длины шнека к диаметру и др.
Восстановление первоначального диаметра шнека возможно наплавкой вручную гребня винта с припуском на шлифование. С учетом неровностей поверхности наплавки величина припуска по всей длине наплавленного гребня должна быть достаточной для обеспечения требуемой ширины гребня после шлифования. Наплавку рекомендуется выполнять током обратной полярности электродами марки ОЗН-6, обеспечивающими получение наплавленного металла твердостью HRCэ ≈ 62 с повышенной стойкостью к образованию трещин при многослойной наплавке. Для ремонта шнеков, подверженных воздействию коррозионных сред при работе в составе экструдеров, пред- назначенных, например, для переработки ПВХ и т.п., целесообразно применение электродов марки Т-590, содержащих 25 % хрома. Но склонность металла к образованию трещин не позволяет наплавлять свыше одного слоя, толщина которого составляет 0,5–0,8 мм при использовании электродов диаметром 3 мм (при ширине гребня винтовой поверхности 6–8 мм в шнеках c диаметром 45–65 мм) и 1,0–1,5 мм – для электродов диаметром 4 мм (при ремонте шнеков c диаметром 100 мм и более). При этом величина сварочного тока не должна превышать 20–25 А на 1 мм диаметра электрода. В противном случае давление столба сварочной дуги «заваливает» кромки гребня. Рекомендуется подбирать силу тока, позволяющую сварщику совершать поперечные колебания электродом, не- обходимые для вымешивания сварочной ванны на гребне и выдавливания шлака на боковые поверхности. Вероятность появления трещин в наплавленном слое снижается, если сварку производить непрерывно, начиная с прогретого сваркой конца шнека. В целях уменьшения остаточных напряжений перед началом эксплуатации целесо- образно прогреть отремонтированный шнек в течение нескольких часов непосредственно в экструдере при максимальной температуре переработки.
Упрочненный поверхностный слой гребня винта, окисленный в процессе эксплуатации, является источником порообразования при сварке. Поэтому перед наплавкой целесообразно очистить гребень и боковые поверхности винта от окислов угловой шлифовальной машинкой с лепестковым кругом. Началу ремонта предшествует осмотр шнека для уточнения характера повреждений, степени износа по длине и объема необходимых трудозатрат, вы- явления дефектов изготовления или предыдущего ремонта. Если использована деформированная заготовка, шнек сохраняет остаточный прогиб по внутреннему диаметру, который усиливается при наплавке гребня за счет усадки шва и неустраним при шлифовании наружного диаметра. Металл может иметь недостаточный запас вязкости в результате неправильной термообработки и, вследствие этого, быть склонным к растрескиванию при наплавке. Наконец, в ремонт может поступить шнек, уже подвергавшийся наплавке, имеющий трещины на гребне вплоть до отслоений, а также искривление оси, если наплавка гребня производилась участками без проворота шнека в опорах.
Очистка шнека от остатков перерабатываемого материала может быть выполнена с помощью фильерной пасты по разогретой поверхности. Сколы и нарушения геометрии профиля винта в местах разделки трещин, а также участки износа поверхности глубиной свыше 0,5 мм следует заваривать с использованием электродов для сварки нержаве- ющей стали, обеспечивающих высокую пластичность наплавленного металла. При этом – с учетом последующей наплавки твердого слоя – высота буферного слоя должна быть на 0,5–1,0 мм ниже требуемой высоты гребня винта.
2.2. Ремонт изношенного цилиндра
Износ цилиндра по длине так же неравномерен, как и шнека, но значительно меньше, поскольку площадь истираемой поверхности у цилиндра на порядок больше площади гребня винта. В «пленочных» экструдерах с диаметром шнека не более 90 мм, у которых передача крутящего момента на шнек осуществляется, как правило, через шлицевое соединение, обеспечивающее соосность с приводом, следует ожидать максимального износа внутренней поверхности цилиндра в зоне компрессии на выходе расплава. Восстановление такого цилиндра возможно расточкой изношенного конечного участка и запрессовкой закаленной гильзы длиной, равной 4–6 диаметрам шнека, или отжигом цилиндра для разрушения азотированного слоя с последующими операциями растачивания и шлифования в больший диаметр с повторным азотированием. Цена такого ремонта приближается к стоимости изготовления нового цилиндра.
В экструдерах, предназначенных для рециклинга полимерных материалов и имеющих диаметр шнека свыше 100 мм, передача момента осуществляется, как правило, через шпонку. При сборке радиальный зазор полностью выбирается и шнек прижимается к внутренней стенке цилиндра одной стороной по всей длине сопряжения. Это приводит к более равномерному износу шнековой пары по длине. Однако отверстие цилиндра в результате износа приобретает форму эллипса. Если цилиндр сильно изношен по всей длине и азотированный слой больше не препятствует мехобработке, то становится возможной его развертка в больший диаметр специальным инструментом. При этом шлифование наплавленного гребня шнека с подгонкой под увеличенный диаметр цилиндра позволяет на некоторое время восстановить производительность экструдера. Однако лишенный упрочненного слоя цилиндр будет подвержен ускоренному износу при дальнейшей эксплуатации.
Фото 1. Отремонтированный комплект «шнек – цилиндр» к вьетнамскому экструдеру (все иллюстрации: автор статьи)
В современных двухшнековых экструдерах шнеки состоят из набора втулок с гребнями, насаженными на шлицевые валы, а цилиндры собраны из баррелей на фланцевых разъемах. Это позволяет заменять изношенные шнековые элементы и запрессованные в баррели гильзы. Ремонт в этом случае предполагает использование фирменных запасных деталей и пресса с оснасткой для выпрессовки изношенных и запрессовки новых гильз. Наплавка гребня винта у шнека затруднена склонностью к растрескиванию металла высокопрочных втулок, а также остаточной деформацией по оси, выходящей за пределы щелевого зазора между гребнями соседних шнеков. Однако использование цилиндра, собранного из нескольких баррелей с гильзами из чугуна, может быть рекомендовано также для одношнековых экструдеров для рециклинга полимерных материалов в целях повышения их ремонтопригодности (фото 1). Такое решение позволяет растачивать изношенные баррели в больший рабочий диаметр без вы- прессовки чугунных гильз и наплав- лять изношенный шнек с последующим шлифованием в размер отре- монтированного цилиндра.
При производстве пленок нередко используют шнек с обратным конусом на внутреннем диаметре в зоне загрузки и цилиндр с рифами вдоль оси с охлаждаемой наружной поверхностью. Это увеличивает производительность подачи гранул полимерного материала из загрузочного бункера внутрь цилиндра. При этом шнек прессует гранулы с обра- зованием пробки в зоне 3–6 витков. Цилиндр «забивается» перерабатываемым материалом по всей длине, что улучшает контакт с разогретой внутренней поверхностью цилиндра и прогрев по межвитковому объему, повышая тем самым производительность экструдера. Износ режущих кромок на винтовой поверхности шнека и рифах цилиндра, упрочненных азотированием на глубину 0,3–0,5 мм, как было указано выше, довольно быстро достигает крити- ческих значений, нарушая условия образования пробки (фото 2, а). Ремонт шнека в этом случае возможен с изготовлением новой привинтной хвостовой части и шлифовкой в рабочий диаметр в сборе (фото 2, б).
Для ремонта цилиндра с изношенными рифами необходима замена рифленой втулки. Ремонтный комплект из хвостовой части шнека и рифленой втулки целесообразно изготавливать из инструментальной стали, обладающей высокой твердостью после термообработки (например, из стали марки 9ХС, 7Х3, ХВГ и др.). Аналогичное решение, кстати, можно встретить и в экструдерах, предназначенных для рециклинга полимерных материалов. Но вместо дробления и перетирания гранул между режущими кромками у шнека и рифов цилиндра происходит подпрессовка агломерата и отжатие из него влаги в отверстие на дне цилиндра.
3. Ремонт шнековой пары в случае поломки
Экструдеры, прерабатывающие полимерные материалы и отходы производства с низкой насыпной плотностью, могут иметь рабочий объем, состоящий из конического прессующего участка и цилиндрического – с зонами плавления и компрессии расплава. В этом случае под действием циклического нагружения изгибающим моментом в месте пере- хода диаметров становится возможным усталостное разрушение шнека (фото 3, а).
Ремонт такого шнека может быть осуществлен свинчиванием на самозатягивающейся под нагрузкой резьбе противоположного направления (фото 3, б), что предусматривает:
• сверление нового отверстия в конической части шнека с изготовлением цилиндрической центрующей посадки и мелкой левой резьбы;
• проточку оставшейся цилиндрической части шнека с сопрягаемыми размерами по посадке и резьбе;
• изготовление наконечника с мелкой левой резьбой, компенсирующего в сборе укорочение шнека, вызванного устранением поломки;
• устранение износа цилиндрической части шнека наплавкой износостойкого покрытия на гребень винта с последующим шлифованием в рабочий размер и полированием винтовой поверхности.
Для переработки агломерата из отходов полимерных пленок нередко используют так называемую тандемную установку, состоящую из двух экструдеров, в первом из которых происходит прессование, нагрев и плавление материала, а расплав отдает часть растворенных в нем газов в процессе перетекания во второй экструдер, соединенный на конце с шиберным фильтром и гранулятором. Это дает возможность оптимизировать процесс за счет разницы диаметров шнековых пар и скоростей вращения шнека. Конструкции одношнековых экструдеров, имеющих зону дегазации расплава на участке с увеличенным межвитковым объемом шнека и отверстием для выхода газов в обогреваемом цилиндре, решают ту же задачу и позволяют уменьшить металлоемкость и энергоемкость оборудования. Но при этом повышаются требования к однородности перерабатываемого полимерного материала и более точной настройке технологических параметров. Для локализации зоны со стороны поступления материала в шнеке организуют барьерный участок, препятствующий падению давления в зоне компрессии. Шнек становится сложнее, так как вышеуказанные фазы переработки реализуются в одном рабочем объеме при постоянстве скорости вращения шнека. Длина шнека возрастает на величину зоны дегазации, а его надежность снижается. Из технологических соображений шнеки общей длиной свыше 3 м обычно изготавливаются составными с разъемом на левой резьбе на участке, локализующем объем зоны дегазации со стороны привода. Наличие в этом месте изгибной составляющей от неравномерного пятна контакта в торце сопряжения, а также циклическое нагружение прогибом с кручением, усиливающееся по мере износа гребня винта, способно привести к усталостному разрушению от концентраторов напряжений, обусловленных неоднородностью геометрической формы этого участка. Ремонт шнека здесь возможен аналогично случаю с устранением поломки шнека в экструдере для переработки отходов пленочного производства (см. фото 3).
Если постепенный износ шнека снижает производительность экструдера, оставляя возможность планирования ремонта по срокам и средствам для его выполнения, то аварийная поломка требует принятия экстренных мер, обеспечивающих возможность дальнейшей эксплуатации экструдера до получения вновь заказанных комплектующих, изготовление и поставка которых обычно превышает один месяц. Этому должно предшествовать выяснение причин и обстоятельств возникновения аварии. Из наиболее часто встречающихся случаев следует отметить:
• включение привода вращения шнека при непрогретом цилиндре;
• попадание твердого предмета в экструдер;
• усталостные разрушения от несоосности шнека и цилиндра, а также в месте изменения диаметров в хвостовой части;
• снижение запаса вязкости разрушения металла от длительных перегревов при эксплуатации.
Соединение обломков сваркой не обеспечивает равнопрочности основному металлу в условиях циклического нагружения прогибом при вращении шнека (фото 4). Аварийный ремонт в этом случае предусматривает механическую обрезку гребня обломка шнека по внутреннему диаметру на длине 1,5 шага винтовой линии, зачистку упрочненного слоя и проточку на станке центрирующего пояска с нарезкой наружной левой мелкой резьбы. Соответственно, таких же размеров поясок и внутренняя резьба растачиваются во вновь изготовленной хвостовой части, на что имеются указания на схеме ремонта с изготовлением привинтной части шнека. Следует иметь в виду, что при включении экструдера с отремонтированным шнеком резьба в разъеме «тянется», перераспределяя нагрузку. Сварка кольцевым швом по месту разъема возможна, но рабочее сечение такого шва не способно воспринять всю полноту нагрузки. Поэтому такой шов следует рассматривать в качестве связующего (герметизирующего разъем) и выполнять его электродами, обеспечивающими максимальный запас вязкости металла шва, передающего без разрушения крутящий момент на резьбу при включении экструдера.
Шнеки в экструдерах для переработки отходов зачастую имеют привинтной наконечник, достигающий трети их длины и содержащий зоны дегазации и компрессии расплава, необходимой для продавливания через шиберный фильтр и гранулятор.
Фото 4. Внешний вид шнека с отломанной хвостовой частью (поломка после ремонта с применением сварки)
Износ по гребню винта вызывает увеличение радиального зазора и прогиб шнека, приводящий к его усталостному разрушению в месте перехода диаметров резьбового сопряжения. Ремонт в этом случае заключается в изготовлении резьбовой шпильки, компенсирующей уменьшение общей длины шнека на величину обломка, а также вырезке глухих отверстий с левой мелкой резьбой в шнеке и наконечнике. Для устранения причины разрушения необходимо вос- становить первоначальный диаметр шнека наплавкой с последующим шлифовканием в сборе с отремонтированным наконечником.
Накопленный опыт ремонта шнеков соединением обломков на левой резьбе и результаты анализа схемы распределения нагрузок по длине и сечению шнека позволяют во многих случаях организовать ремонт для продления работы экструдера до тех пор, пока не будет приобретен новый шнек. Наиболее сложным является случай заклинивания шнека в цилиндре попавшим в рабочий объем твердым предметом, для извлечения которого приходится механически вырезать в цилиндре отверстие с последующей доработкой цилиндра и сборкой посредством резьбовой трубчатой стяжки с жестким бандажом. Следует учитывать при этом, что огневые методы разрезки вызывают остаточную деформацию материала. Если при заклинивании шнек оказался сломанным, то его обломки свинчивают, а укорочение учитывается при доработке цилиндра по длине.
С увеличением рабочего диаметра шнековой пары экструдера возрастает вероятность разрушения цилиндра. Причинами могут быть неравномерное раскрепление на раме установки и в люнете, а также циклический изгибающий момент, вызванный радиальным смещением оси вращения шнека, возрастающим по мере износа пары трения «шнек – цилиндр». В практике встречаются конструкции экструдеров, у которых цилиндр имеет размеры, не отвечающие условиям равнопрочности и ремонтопригодности. Соотношение цен цилиндра и шнека, примерно равное 10:7 для пленочных экструдеров с рабочим диаметром 45–70 мм, имеет тенденцию роста вследствие возрастания металлоемкости заготовки цилиндра и увеличения затрат на ее механическую и термическую обработку, а также доставку до потребителя. Поэтому капитальный ремонт цилиндров больших диаметров, например, для производств, занятых в рециклинге полимерных материалов, является актуальным.
4. Пример организации и проведения ремонта
Рассмотрим в качестве примера ремонт цилиндра китайского экс- трудера для рециклинга полимерных материалов, не потерявшего производительности в результате появления трещин в процессе эксплуатации. Цилиндр имеет следующие конструктивные особенности и недостатки:
• диаметр d фланца, равный 550 мм, более чем в 3 раза превышает диаметр цилиндра (d = 160 мм), что создает большой изгибающий момент в случае неравномерной затяжки болтов крепления фланца к приводу экструдера;
• соединение фланца с цилиндром со стороны привода свинчиванием на резьбе М160×3 длиной 45 мм неравнопрочно аналогичному резьбовому соединению с шибером на другом конце, имеющем длину 70 мм;
• дренажное отверстие диаметром 20 мм (коэффициент концентрации напряжения К = 3,05) находится на расстоянии 15 мм от фланца в зоне действия максимальных статических (от изгибающего момента) и циклических (от крутящего момента) напряжений;
• рифы для формирования пробки агломерата в зоне загрузки выполнены на внутренней поверхности относительно тонкой гильзы (с толщиной стенки всего 20 мм), что делает ее неремонтопригодной в случае износа рифов.
Выполненный ремонт с подваркой трещин в шве приварки фланца без разделки кромок не дал результата, но только ухудшил положение, вызвав закалочные структуры и остаточные после сварки напряжения, возникновение которых привело к уменьшению запаса прочности металла по вязкости разрушения. Трещины возникли в вершине отверстия загрузки (фото 5, а) и в месте подварки дренажного отверстия (фото 5, б).
Целью ремонта цилиндра было ужесточение его соединения с фланцем за счет бандажа (фото 6, а), приваренного кольцевым швом с разделкой кромок к фланцу стыковки с приводом и угловым кольцевым швом внахлест к корпусу коллектора водяного охлаждения (фото 6, б).
Выбранный способ ремонта позволил избежать значительных остаточных сварочных деформаций, способных нарушить соосность шнека и цилиндра, а также образования хрупких закалочных структур в металле цилиндра, изготовленного из легированной стали, имеющей ограничения по сварке.
Шнеки и цилиндры экструдеров ремонтопригодны как в случае износа, так и в некоторых случаях аварийной поломки, что позволяет оперативно организовать дальнейшую эксплуатацию экструдера до получения новых деталей, а в ряде случаев – существенно продлить срок службы шнековой пары. Выбор схемы ремонта во многом определяется характером повреждений, свойствами металла, из которого сделаны детали, а также доступными средствами проведения ремонтных работ.
ИСТОЧНИК СТАТЬИ:
О. А. Луцук, ООО «Ярпленка» (г. Ярославль), Полимерные материалы 2015 / No 6
Источник