大型雙螺桿擠壓造粒機(jī)組是石化企業(yè)的重要生產(chǎn)裝置之一，主要用于粉體塑料的造粒。從目前國(guó)內(nèi)石化企業(yè)采購(gòu)相關(guān)裝置來(lái)看，德國(guó) CWP 公司的 ZSK350、ZSK380 的引進(jìn)數(shù)量占比最高。此外，國(guó)企 大連橡膠塑料機(jī)械有限公司類似規(guī)格機(jī)組也呈現(xiàn)擴(kuò)大市場(chǎng)占有率的趨勢(shì)。大型擠壓造粒機(jī)組的核心是擠壓系統(tǒng)，但設(shè)備開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的最難點(diǎn)還在于傳動(dòng)系統(tǒng)。以直徑為 320 mm 規(guī)格的造粒機(jī)組為例，其傳動(dòng)裝置不僅要以 26 1mm 中心距、200 r/min 以上的轉(zhuǎn)速為兩根螺桿輸送 10 000 kW 的功率，而且還要承載來(lái)自于機(jī)頭 35MPA 壓力的 270 t 軸向載荷。這樣的要求對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中箱體制造、輪系結(jié)構(gòu)、軸承布局、材料選擇、熱處理技術(shù)等諸多方面都提出了苛刻的要求。也正是這個(gè)原因，大型擠壓造粒生產(chǎn)過(guò)程中傳動(dòng)裝置出現(xiàn)的故障往往會(huì)直接造成機(jī)組的長(zhǎng)周期停產(chǎn)。

　　為此，文章在對(duì)大型擠壓造粒機(jī)組典型傳動(dòng)系統(tǒng)輪系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)齒輪箱潤(rùn)滑冷卻、軸承位振動(dòng)監(jiān)測(cè)、氣動(dòng)摩擦離合器以及工程建設(shè)過(guò)程中的齒輪箱動(dòng)載計(jì)算等方面進(jìn)行分析。相關(guān)內(nèi)容可為大型擠壓造粒機(jī)組齒輪箱的設(shè)計(jì)、使用以及工程建設(shè)提供一定的技術(shù)支撐。

　　一、傳動(dòng)輪系分析

　　國(guó)內(nèi)早期有關(guān)于同向平行雙螺桿擠出機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的研究可以追溯到 20 世紀(jì) 80 年代，婁曉鳴對(duì)典型的雙螺桿擠出機(jī)齒輪箱結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了對(duì)比。90 年代末，隨著市場(chǎng)對(duì)高扭矩齒輪箱需求的不斷增加，李世通對(duì)高扭矩齒輪箱的輪系設(shè)計(jì)展開(kāi)了討論。2011 年，筆者在調(diào)研大量國(guó)際專利的基礎(chǔ)上，從圓柱外齒輪和行星輪系扭矩分配方案著手，對(duì)比了不同輪系中輪齒的承載情況。

　　轉(zhuǎn)速調(diào)整

　　相對(duì)比，中小型擠壓造粒機(jī)組所采用電機(jī)中可以采用變頻調(diào)速方式控制轉(zhuǎn)速，大型擠壓造粒裝置的主電機(jī)由于功率過(guò)大，而極少采用類似的無(wú)極調(diào)速。國(guó)際上，大型擠壓造粒機(jī)組通常使用如圖 1 所示的帶有開(kāi)機(jī)盤車系統(tǒng)的兩級(jí)調(diào)速傳動(dòng)方案。使用這樣的齒輪箱，開(kāi)機(jī)時(shí)，大傳動(dòng)比的盤車電機(jī)以極低的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)螺桿，以排空螺桿內(nèi)物料;隨后，切換到齒輪箱的低速擋，逐漸增加負(fù)載 ;當(dāng)設(shè)備在低速擋穩(wěn)定擠出，再將齒輪箱切換到高速擋，同時(shí)增加負(fù)載。這一結(jié)構(gòu)中，換擋機(jī)構(gòu)是該類型機(jī)組的薄弱環(huán)節(jié)，該類故障屢有報(bào)道。另外，從螺桿受力的角度看，即便是在沒(méi)有增加產(chǎn)量負(fù)載的情況，切換檔位瞬間對(duì)螺桿的沖擊也是較大的。特別是螺桿塑化段捏合盤區(qū)域，此處物料較硬，且捏合盤元件內(nèi)物料填充度接近 100%，所以轉(zhuǎn)速?zèng)_擊會(huì)轉(zhuǎn)換為扭矩突變，從而會(huì)誘發(fā)螺桿芯軸的斷裂。

　　RANK 公司的大型雙螺桿擠壓造粒機(jī)組齒輪箱在一定程度上可以解決上述螺桿載荷突破沖擊的問(wèn)題。如圖 2 所示，行星輪系可以將兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速合成圖中行星輪軸架的轉(zhuǎn)速。主電機(jī)提供大功率，在工頻下定速轉(zhuǎn)動(dòng);而輔助電機(jī)功率占比約 20%~30%，可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的變頻調(diào)速。通常情況下，2 000~ 3 000 kW 的變頻器和電機(jī)的成本是可以接受的。這樣一來(lái)，開(kāi)機(jī)時(shí)輔助電機(jī)可以平穩(wěn)的啟動(dòng)螺桿。并且在正常工作時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)整輔助電機(jī)轉(zhuǎn)速以匹配不同排號(hào)物料生產(chǎn)的需要。

　　對(duì)稱式扭矩分配方案

　　圖 3 中給出了 FLENDER 公司和 RANK 公司大型擠壓造粒機(jī)組齒輪箱的對(duì)稱式雙過(guò)渡軸扭矩分配方案。其中，長(zhǎng)輸出軸作為動(dòng)力軸，同時(shí)驅(qū)動(dòng)上下布局的兩根過(guò)渡軸，兩根過(guò)渡軸同時(shí)驅(qū)動(dòng)短輸出軸。這一方案實(shí)現(xiàn)了以兩個(gè)輪齒共同分擔(dān)扭矩的傳動(dòng)方式，有效地降低了單齒傳遞扭矩，并且可以有效減少齒輪在高應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞磨損。從目前設(shè)備的應(yīng)用情況來(lái)看，這一類型的扭矩分配方案對(duì)實(shí)現(xiàn)比扭矩系數(shù) 11.3 Nm/ cm3 的齒輪箱來(lái)說(shuō)是具有一定可靠性的。值得注意的是，當(dāng)前大型化機(jī)組的高效利用是石化企業(yè)探索的熱點(diǎn)。超載運(yùn)行在很多石化企業(yè)的不少牌號(hào)生產(chǎn)中普遍存在。這就對(duì)齒輪箱的安全性提出了要求。從工程建設(shè)公司了解到，業(yè)主對(duì)齒輪箱的 AGMA 安全系數(shù)已經(jīng)普遍從 1.5 提高到 1.75。進(jìn)一步提升單齒承載能力可能是實(shí)現(xiàn)更高安全性的必經(jīng)之路。

　　傳動(dòng)系統(tǒng)中，保證兩輸出軸相位差變化量處于規(guī)定范圍是保證兩螺桿不發(fā)生干涉的前提條件。從扭矩分配的角度來(lái)看，對(duì)稱式雙過(guò)渡軸扭矩分配方案中，長(zhǎng)輸出軸的輸入端傳遞的扭矩為總扭矩。在與過(guò)渡軸發(fā)生嚙合后，理論上會(huì)將其中 1/2 的扭矩分配給短輸出軸。但是，輸出軸的輸出扭矩實(shí)際上是來(lái)自于其所驅(qū)動(dòng)螺桿的負(fù)載。對(duì)于同向平行雙螺桿擠出機(jī)而言，由于擠出機(jī)兩螺桿并非處于對(duì)稱式工作模式，因此兩根螺桿的工作扭矩存在一定的差異。所以分配到兩根輸出軸上的扭矩并不一致。這必定會(huì)導(dǎo)致兩輸出軸相位差的變化。值得思考的問(wèn)題有：①齒輪箱的扭矩分配輪系如何根據(jù)負(fù)載自動(dòng)調(diào)整兩輸出軸上的扭矩分配。②齒輪驅(qū)動(dòng)鏈上各個(gè)軸的微變形與兩輸出軸相位變化之間具有何種關(guān)系。不僅如此，從齒輪驅(qū)動(dòng)鏈的角度來(lái)看，長(zhǎng)、短輸出軸的承載是關(guān)聯(lián)的，變形也是有上下游的關(guān)系。短輸出軸作為被動(dòng)軸，其扭轉(zhuǎn)變形量來(lái)自于所驅(qū)動(dòng)螺桿的負(fù)載;而長(zhǎng)輸出軸作為主動(dòng)軸，其扭轉(zhuǎn)變形不僅來(lái)自于所驅(qū)動(dòng)螺桿的負(fù)載，而且還包括驅(qū)動(dòng)短輸出軸造成的變形。當(dāng)然，還要考慮過(guò)渡軸的變形累加。理論計(jì)算上可以實(shí)現(xiàn)的理想扭矩分配和輪系變形，但在考慮加工精度、裝配精度等多重因素后，經(jīng)典理論的計(jì)算結(jié)果就需要進(jìn)一步的完善。

　　非對(duì)稱式扭矩分配方案

　　在我國(guó)早期齒輪箱專利中提及了如圖 4 所示的雙螺桿擠出機(jī)齒輪箱的輪系結(jié)構(gòu)。如圖 4 所示，驅(qū)動(dòng) A 輸出軸的齒輪 12 和 13 具有較大的尺寸和安裝空間，其剛度可以得到保證。同樣的，驅(qū)動(dòng) B 輸出軸的齒輪 16 和 18 也具有較大的尺寸和安裝空間。進(jìn)一步回溯的上游惰輪 11、14、15 和 17 起到了空間過(guò)渡和調(diào)整轉(zhuǎn)向的作用。實(shí)際上，輸出軸 A 和 B 的同步是來(lái)自于共軸齒輪 6、7 和 10。上游動(dòng)力通過(guò)齒輪 10 輸入到軸上，同軸的齒輪 6 和 7 則向外輸出扭矩。齒輪 6 和 7 分別驅(qū)動(dòng)了輸出軸 A 和 B 的惰輪系。最上游的齒輪系起到減速作用的同時(shí)，還采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)將傳遞扭矩一分為二。這一結(jié)構(gòu)保留了 CWP 公司專利介紹的扭矩分配中兩個(gè)過(guò)渡齒輪同時(shí)向輸出軸傳遞扭矩的形式。不同點(diǎn)在于，這一專利在輪系結(jié)構(gòu)上，解除了兩個(gè)輸出軸扭轉(zhuǎn)變形的關(guān)聯(lián)，兩輸出軸之間不存在上下游的扭矩傳遞關(guān)系。還保證了兩輸出軸的扭轉(zhuǎn)變形只來(lái)自于其驅(qū)動(dòng)螺桿的負(fù)載。

　　二、齒輪箱的潤(rùn)滑及冷卻

　　齒輪箱的潤(rùn)滑及冷卻系統(tǒng)是大型雙螺桿擠壓造粒機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的重要輔助系統(tǒng)之一。為了保證每個(gè)軸承點(diǎn)位能夠得到足夠的潤(rùn)滑油供給，箱體上油路設(shè)計(jì)時(shí)不僅要充分考慮通往各個(gè)點(diǎn)位的油路通暢，而且還要通過(guò)油路結(jié)構(gòu)來(lái)確?？煽康挠土糠峙?。在中小型機(jī)組的設(shè)計(jì)中，油路通暢往往會(huì)得到考慮，但精確的油量分配計(jì)算卻經(jīng)常被忽略。據(jù)了解，日本制鋼所的 CMP 系列大型擠壓造粒裝置的技術(shù)文檔中，清晰地給出了每一個(gè)軸承位潤(rùn)滑油的供給量。充足的潤(rùn)滑油供給對(duì)齒輪箱的正常工作起到了至關(guān)重要的作用。對(duì)于大型機(jī)組油路設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，可以引入計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，對(duì)潤(rùn)滑油管路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以得到精確的流量分配結(jié)果。

　　從潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)的安全可靠性角度來(lái)看，引進(jìn)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)的管路儀表方案中，“ 一開(kāi)一備 ” 的油泵配置可以有效地保證潤(rùn)滑油的連續(xù)供給。設(shè)計(jì)中，要充分考慮切換泵的工藝邏輯。第一，要保證在故障泵停止工作前完成泵的切換。第二，要保證控制切換泵信號(hào)的可靠。針對(duì)這一點(diǎn)，油路上的數(shù)字化流量計(jì)和壓力計(jì)要做定標(biāo)定檢。要將其采集到的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)維保。第三，可以考慮無(wú)故障下的定期切換在線泵和離線泵。這樣，可以避免一臺(tái)泵長(zhǎng)期服役的同時(shí)，避免另外一臺(tái)泵因長(zhǎng)期待業(yè)所導(dǎo)致的密封失效等問(wèn)題。

　　三、軸承位振動(dòng)監(jiān)測(cè)

　　軸承位的振動(dòng)監(jiān)測(cè)是大型擠壓造粒機(jī)組齒輪箱長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的有效技術(shù)保障。大量的科研工作是圍繞機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷開(kāi)展的。無(wú)論如何，通過(guò)數(shù)據(jù)采集獲取到機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，相關(guān)的后處理分析方法成為限制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮作用的核心因素。基于簡(jiǎn)單的邏輯判斷形成的報(bào)警信號(hào)中，可能會(huì)保護(hù)大量的 “ 假 ” 信息，從而讓企業(yè)對(duì)其失去信心。有些企業(yè)在也在尋求突破的手段，如采用緊急停產(chǎn)系統(tǒng) ESD，無(wú)論如何其實(shí)際效力還有待驗(yàn)證。毋庸置疑，在當(dāng)前石化企業(yè)造粒裝置的維保中，人工經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用還是無(wú)法替代的主流方案。即便有不斷完善的系統(tǒng)上線，也是在為人工分析提供更為豐富的數(shù)據(jù)來(lái)源。延續(xù)這一思路，機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能算法的引入有可能會(huì)解決這一問(wèn)題。值得注意的是，在整個(gè)人工智能算法的范疇內(nèi)，采用有監(jiān)督的 AI 算法得到的是基于輸入數(shù)據(jù)的結(jié)果預(yù)測(cè);采用無(wú)監(jiān)督的 AI 算法更多的是偏重于將當(dāng)前狀態(tài)歸納入預(yù)設(shè)的分類。這樣看來(lái)，可以替代人類進(jìn)行決策的算法，如圍棋機(jī)器人 alpha Go 所采用的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法，有可能成為真正能夠解放人力，為大型石化裝置提供故障預(yù)測(cè)、分析和診斷服務(wù)，甚至可能是實(shí)現(xiàn)設(shè)備自主調(diào)整的突破口。

　　四、氣動(dòng)摩擦離合器

　　在大型擠壓造粒國(guó)產(chǎn)化攻關(guān)中，連接主電機(jī)和主減速器的氣動(dòng)摩擦離合器也是技術(shù)難點(diǎn)之一?，F(xiàn)役大型擠壓造粒機(jī)組的使用過(guò)程中，氣動(dòng)摩擦離合器也是設(shè)備維保的核心重點(diǎn)。相比于液壓扭矩安全聯(lián)軸器，氣動(dòng)摩擦離合器具有傳動(dòng)扭矩大、可以調(diào)整最大傳遞扭矩、磨損小的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)氣動(dòng)摩擦離合器的工作原理，壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)摩擦離合器的氣缸活塞運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)將摩擦片與外輪轂之間的壓緊，這樣就實(shí)現(xiàn)了依靠端平面摩擦力傳動(dòng)扭矩的功能。氣動(dòng)摩擦離合器正常工作時(shí)，輸入側(cè)和輸出側(cè)之間的速差要小于高報(bào)限定數(shù)值。當(dāng)擠壓機(jī)負(fù)載發(fā)生較大波動(dòng)，特別是負(fù)載突然增加的時(shí)候，有可能造成輸出側(cè)降速，從而發(fā)生速差超限所導(dǎo)致的安全連鎖。除此之外，氣動(dòng)摩擦離合器對(duì)安裝精度以及摩擦片本身的耐磨性也有相對(duì)嚴(yán)格的要求。因此，設(shè)備初裝時(shí)要注意減速器與電機(jī)之間的找正。但是，設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行后，特別是在我國(guó)東南沿海地區(qū)，設(shè)備的地基會(huì)發(fā)生不同程度的沉降。為此，設(shè)備日常運(yùn)維過(guò)程中要增加對(duì)地基沉降監(jiān)測(cè)的同時(shí)，在大修環(huán)節(jié)還應(yīng)重復(fù)初裝過(guò)程中的減速器與電機(jī)的找正。

　　五、齒輪箱動(dòng)載荷計(jì)算

　　齒輪箱動(dòng)載荷計(jì)算是在擠壓機(jī)廠房建設(shè)工程設(shè)計(jì)中所需要的重要數(shù)據(jù)。擠壓機(jī)螺桿從靜止到工作轉(zhuǎn)速，負(fù)載從 0 到 40 t/h，甚至更高，以及物料不穩(wěn)定造成的沖擊，這些變化的過(guò)程，從主電機(jī)到齒輪箱，再到擠壓系統(tǒng)，均會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的加速度變化，這就是設(shè)備 動(dòng)載荷的由來(lái)。通常情況下，設(shè)備的靜載表現(xiàn)為設(shè)備重力在數(shù)個(gè)地基支撐上的分布。由于輪系布局、軸承安裝、箱體排布等多方面因素，多個(gè)地基支撐點(diǎn)上的支撐反力(靜載荷)并不能直接用總重力除以支撐點(diǎn)數(shù)所得均值所表示。相比而言，動(dòng)載荷計(jì)算更加復(fù)雜。從地基支撐角度來(lái)看，不僅要考慮與地基支撐平面垂直的支撐力載荷，還要考慮與地基支撐平面平行的剪切力載荷。這樣一來(lái)，在計(jì)算過(guò)程中，就要涵蓋各種載荷通過(guò)箱體傳遞給地基支撐的載荷，包括齒輪嚙合所產(chǎn)生的徑向力和軸向力、來(lái)自于機(jī)頭的軸向力、軸 系轉(zhuǎn)動(dòng)所形成的扭矩等。從技術(shù)層面看，使用 Ansys 軟件的剛體仿真模塊、Adams 軟件、Smipack 軟件等工程仿真軟件都可以一定程度上解決動(dòng)載荷計(jì)算的問(wèn)題。動(dòng)載荷問(wèn)題應(yīng)該在傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)定時(shí)進(jìn)行計(jì)算，作為設(shè)備銷售隨機(jī)技術(shù)資料的一部分。

　　六、總結(jié)

　　文章從速度調(diào)整和扭矩分配方面分析了當(dāng)前典型大型擠壓造粒機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)輪系結(jié)構(gòu)的特征。還對(duì)非對(duì)稱式扭矩分配輪系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，當(dāng)采用非對(duì)稱式扭矩分配輪系結(jié)構(gòu)時(shí)，解除了兩個(gè)輸出軸扭轉(zhuǎn)變形的關(guān)聯(lián)，兩輸出軸之間不存在上下游的扭矩傳遞關(guān)系，從而可以保證了兩輸出軸的扭轉(zhuǎn)變形只來(lái)自于其驅(qū)動(dòng)螺桿的負(fù)載。與此同時(shí)，還對(duì)齒輪箱潤(rùn)滑冷卻、軸承位振動(dòng)監(jiān)測(cè)、氣動(dòng)摩擦離合器以及工程建設(shè)過(guò)程中的齒輪箱動(dòng)載計(jì)算等方面進(jìn)行介紹。相關(guān)內(nèi)容可為大型擠壓造粒機(jī)組齒輪箱的設(shè)計(jì)、使用以及工程建設(shè)提供一定的技術(shù)支撐。

　　參考文獻(xiàn)略.