摘要：闡述大型擠壓造粒機(jī)組水下切粒裝置的工作機(jī)理，刀軸前進(jìn)的多種方式，并分析了刀軸前進(jìn)及正常工況下的受力情況。提出如何精準(zhǔn)設(shè)定刀軸前進(jìn)壓力，延長設(shè)備使用周期。
關(guān)鍵詞：大型擠壓造粒機(jī)組；水下切粒裝置；切刀；模板；刀軸前進(jìn)壓力
乙烯是發(fā)展合成樹脂、合成橡膠、合成纖維的基礎(chǔ)原料。乙烯制備能力是綜合衡量一個國家石化工業(yè)水平的重要標(biāo)志。“十五”以來，我國石化行業(yè)乙烯工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展的新時期，并已成為世界乙烯工程的重要組成部分。
大型擠壓造粒機(jī)組是百萬噸乙烯工程不可或缺的核心裝備，我國大型擠壓造粒機(jī)組絕大多數(shù)依賴進(jìn)口。目前世界上生產(chǎn)大型擠壓造粒機(jī)組的公司有日本神戶制鋼所（KOBELCO）、日本制鋼所（JSW）和德國科倍隆（CWP）等，目前國內(nèi)正在服役的大型擠壓造粒機(jī)組約上百臺套。
1.水下切粒裝置的結(jié)構(gòu)及切粒機(jī)理
水下切粒裝置是整個機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其中刀軸進(jìn)退壓力的給定直接影響到模板、切刀的使用壽命及機(jī)組的穩(wěn)定長周期運(yùn)行。對水下切粒裝置刀軸進(jìn)退壓力給定的討論意義重大。
水下切粒裝置主要組成部分包括熱水室、刀盤、軸承箱、水室快速鎖緊機(jī)構(gòu)、刀軸移動機(jī)構(gòu)、移動小車、聯(lián)軸器、驅(qū)動電機(jī)等。其水下切粒裝置的機(jī)理均為由驅(qū)動電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動切刀軸轉(zhuǎn)動，完成切粒動作。在刀軸的前后移動上各公司產(chǎn)品略有差異，原理均為通過汽壓、汽液或液壓驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成刀軸的前進(jìn)后退。
切粒有兩種方法，一種為“間隙式”切粒，即切刀和模板之間設(shè)有一定的間隙。當(dāng)切刀軸前進(jìn)時，切刀軸處于一個固定的位置（通過手柄桿設(shè)定），即無論切刀磨損及切刀轉(zhuǎn)速如何，切刀和模面的相對位置保持不變。另一種為“接觸式”切粒，即切刀和模板之間沒有間隙。當(dāng)驅(qū)動切刀軸前行的推力增加并超過某一特定值時，切刀軸將克服幾個阻力，向模板靠近。一旦切刀接觸模板的壓力設(shè)定完畢，即切刀轉(zhuǎn)速及刀軸前進(jìn)的壓力設(shè)定后，無論切刀磨損如何，切刀（軸）都會保持與模板之間的這個壓力。通常“接觸式”切粒的粒料效果會更好一些。如圖1所示。
圖1切粒的兩種型式
刀軸的和力作用在切刀上，切刀給模板的壓力對切刀壽命及粒料形狀影響很大。
2.切刀軸前進(jìn)及工作中受力分析
切粒裝置中刀軸前進(jìn)未設(shè)任何其他機(jī)械限位，除非刀軸前進(jìn)達(dá)到最大行程。在切粒裝置運(yùn)行過程中，所有施加給切刀軸的推力最后都由切刀刀刃承受，而切刀又與模板接觸，因此，刀軸前進(jìn)的和力如果過高，會導(dǎo)致切刀及模板過度磨損，影響切刀及模板的使用壽命。
反過來，刀軸前進(jìn)的和力如果過低，就會導(dǎo)致上述的“間歇式切粒”，從而有可能會導(dǎo)致尾料及連料等的產(chǎn)生，影響產(chǎn)品質(zhì)量。刀軸受力如圖2所示。
圖2刀軸受力示意圖
切粒開始后，切刀軸至模板的推力即刀軸的和力（Fx）等于：
Fx=f1+f2-(f3+f4+f5)
式中：f1為刀軸前進(jìn)力，如果調(diào)節(jié)切粒速度，該壓力也需調(diào)節(jié)；f2為水室內(nèi)的粒子水對切刀的推力（取決于切粒速度）；f3為刀軸前進(jìn)的背壓力。（通常是一個恒定的壓力，各廠家不同）；f4為水室內(nèi)的粒子冷卻水的壓力（背壓）；f5為機(jī)械阻力損失等（與刀軸運(yùn)動方向相反）。
f1為刀軸前進(jìn)的主動力，它會隨切粒機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速的變化而調(diào)節(jié)；f2水室內(nèi)的粒子水對切刀的推力，它會隨切粒機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速的增加而增大，f3背壓為設(shè)定值；f4水室內(nèi)的粒子冷卻水的壓力，視為固定值；f5刀軸的前進(jìn)阻力，切粒系統(tǒng)確定后，機(jī)械阻力已確定，視為固定值。
當(dāng)切粒電機(jī)啟動后（在粒子冷卻水中驅(qū)動切刀軸），切刀與水產(chǎn)生向前的分力，切刀會自動靠近模板。而且推力（f2）會隨切刀轉(zhuǎn)速的增加而增大。
3.切刀軸各分力的討論
對水室內(nèi)的粒子水對切刀的推力f2的討論。對切刀在水室內(nèi)的運(yùn)動情況，利用ANSYS進(jìn)行流構(gòu)耦合分析。
在ANSYS流體模塊中對流動入口施加流速，對流動出口施加零壓力邊界條件，與刀接觸面施加交界面邊界條件，施加邊界條件后的模型如圖3、4所示。流構(gòu)交界面的壓力在ANSYS中對水介質(zhì)進(jìn)行流體求解，得到流構(gòu)交界面的壓力分布如圖5所示，切刀的邊界條件如圖6所示。
圖3水介質(zhì)的網(wǎng)格劃分
圖4水介質(zhì)的邊界條件
圖5流構(gòu)界面的壓力分布云圖
圖6切刀的邊界條件
定義材料參數(shù)，進(jìn)入ANSYS中利用常規(guī)求解器進(jìn)行求解。
結(jié)果分析：切刀所受到水的Y向壓力與水流速的平方成正比，曲線如圖7。
即：f2=n×k×L×V2
式中：k為系數(shù)；L為切刀的有效長度；V為切刀的線速度；N為切刀數(shù)量。
圖7切刀軸轉(zhuǎn)速與f2的曲線圖
可見f2的大小與切刀軸的轉(zhuǎn)速的提升成平方的關(guān)系增大，在實際的操作中不可忽視它的存在。
在切粒裝置運(yùn)行過程中，切刀與模板產(chǎn)生磨損，切刀與模板都會磨損，因切刀的硬度低于模板造粒帶的硬度，磨損時切刀會磨損多一些。為了補(bǔ)償切刀及模板磨損量，切刀軸需向前推進(jìn)，給切刀軸施加指定的壓力，讓切刀與模板良好接觸。刀軸前進(jìn)力（f1）可以調(diào)節(jié)，而且應(yīng)以優(yōu)化切刀軸至模板的推力（切刀至模板的壓力）為準(zhǔn)。
不要施加過高的氣壓使切刀強(qiáng)制靠近模板。為了延長切刀使用壽命，造出良好的粒料，至切刀料筒的氣壓設(shè)定是切粒過程中的一個最關(guān)鍵因素之一。
4.結(jié)論
通常在進(jìn)行生產(chǎn)操作時，剛開機(jī)時為了防止?？锥驴?，產(chǎn)量設(shè)定為總產(chǎn)量的50%~60%，然后隨著慢慢提高產(chǎn)量，切粒機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸提高。此時由于切刀轉(zhuǎn)速增加，切刀軸向前的推力（f2）會成平方關(guān)系增大，這時初始開車時的刀軸前進(jìn)壓力（f1）就需要降低。否則，切刀與模板的壓力（Fx）將會過高，導(dǎo)致切刀及模板造粒帶的快速磨損。
總的來說，磨損量會隨著刀軸的轉(zhuǎn)速增加而成比例增加。為了減少磨損，將刀軸的前進(jìn)推力（f1）降低至理想值就非常關(guān)鍵。
常規(guī)的切刀軸前進(jìn)推力（f1）與切刀轉(zhuǎn)速（n）的關(guān)系如圖8所示。
圖8切刀軸前進(jìn)推力（f1）與切刀轉(zhuǎn)速（n）的關(guān)系圖
切刀軸前進(jìn)推力與切刀轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖對于切粒機(jī)的操作十分重要。如何獲得上述關(guān)系圖，一般來說，設(shè)備出廠時，設(shè)備制造商會提供一個切刀前進(jìn)力與刀軸轉(zhuǎn)速的曲線圖，但在機(jī)組現(xiàn)場安裝及調(diào)試時，會采集現(xiàn)場機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，對曲線圖進(jìn)行確認(rèn)或修訂。如切刀軸前進(jìn)力f1可自動控制，可將本曲線寫入PLC或DCS中，以便實現(xiàn)切刀軸前進(jìn)壓力的自動給定。設(shè)備使用方可根據(jù)現(xiàn)場實際操作人員的經(jīng)驗及收集的數(shù)據(jù)對本曲線進(jìn)行修訂，達(dá)到最優(yōu)效果，從而減少切刀、模板的磨損，延長切刀、模板的使用壽命，使機(jī)組穩(wěn)定長周期運(yùn)行。
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