刘木林
大庆石化分公司晴纶厂 黑龙江大庆163714
摘要:随着市场对腈纶的需求数量、应用性能等各方面的提高，我国腈纶的生产技术和设施因为没有能够及时升级改进而出现成本较高、设施老化等问题，阻严重碍了腈纶生产的进一步发展。本文就腈纶纺丝生产为客体，探讨腈纶纺丝生产过程中遇到的问题及解决对策，期望能够为其进一步完善生产技术、提高生产效率提供参考意见。
关键词:腈纶纺丝；牵引机；失效分析
1 腈纶纺丝装置和牵引机的研究概状
腈纶纺丝生产过程中只有热牵引机保持正常的运行才能保证产品的生产质量和数量。但由于腈纶产品需要的产能和拉伸强度不断在提高，目前的牵伸传动系统难以正常满足腈纶生产，牵引轴出现断裂、弯曲变形等故障的数量也在逐年增加。随着新技术和新理念的产生，当前在对纺丝装置进行研究开发时，依据其实际应用场所的分析数据作为参考信息设计出作为基础的模型产品，然后再根据具体需求功能的不同选择安装不同功能的模块或者分模块，这种新型方法被称作为“模块化设计”。当前模块化设计法能够根据腈纶产品的生产数量和生产要求来进行适当的组合变化，可以充分满足纺丝装置中某些专有元件的生产标准和一系列通用设施。
牵伸则是腈纶纺丝加工过程中要求严格的一道工序，目前的热牵引机方面的研究通常是关于加工方法、生产标准、设备组成以及自动化检测等方面的内容。特别是在对轴承等关键配件的自动化控制方面更是取得了较大的进步，在很大程度上降低了热牵引机设施发生故障的几率。
2 牵引轴传动系统的失效故障分析
2.1牵引轴的故障分析
牵引轴的塑性弯曲变形和脆性断裂是牵引轴出现故障的主要因素。因为牵引轴所承受的载重是交互变化的，所以使其发生断裂的原因可能是设备疲劳或者是生产材料和技术没有达到标准而产生的；其发生弯曲变形的最大原因则可能是设备的结构强度没有达到要求。然而对牵引轴断口原因的最终确定还需要进行金相分析和电镜扫描监测，依据对断口进行金相分析后得到的宏观形貌和电镜扫描结果共同得出牵引轴是由于应力交互变化产生的疲劳损伤或是附加得有应力腐蚀等其他原因。
2.1.1对牵引轴的有限元分析
对牵引轴应力进行有限元分析时，需要使得原本的牵引轴模型按比例还原出来，并使每个单元都具有应力刚化性、可塑性和可应变性等。在建立有限元分析模型时，牵引轴上和强度校核没有联系的构件部分和其他倒角都应该去掉，这样能够在一定程度上简化计算过程并能提高计算结果的准确率。
2.1.2牵引轴发生故障的具体分析
通过上述对牵引轴的检测分析以及工厂生产和维修过程中出现的问题总结来看，牵引轴发生故障的原因主要有以下三个方面：（1）实际生产超出设备生产能力。为了提高工厂的生产效率，在纺丝生产过程中不论何种纺丝产品都使用最大纺位，虽然在一定程度上减少了生产成本，但对牵伸轴造成的损坏也是不可修复的；（2）替代材料不适用。不同材料和工艺生产出来的牵伸轴各项性能都不尽相同，因此替代材料的不合理以及不适用极易造成牵伸轴发生弯曲断裂等现象，对牵伸轴的使用寿命也会产生影响。（3）生产工艺不符合要求。由于操作人员对生产技术和工艺要求未能掌握到位，在实际生产过程中可能会出现丝束缠绕导致意外停车的情况，在发生类似问题时材料的持久极限和屈服极限都会被破坏，进而使牵引轴表面出现裂纹或微小断口，为断裂埋下隐患。
2.1.3牵引轴与辊之间的连接问题
在维修过程中发现，除了上述三个主要问题以外，牵引轴和牵引辊之间的连接方式和实际生产中也出现了一些问题。牵引轴、辊之间存在着联结方便、安装简单的一种传动方式，但对轴和辊的锥面加工工艺的精确度和热处理的要求非常苛刻。目前国内对牵引轴和辊的加工工艺还未达到较高的水平，在加工过程中经常会出现误差，并且其安装运行之后的检查难度也较大，容易引起维修失误从而造成影响。在牵引轴和辊的装配过程中螺母的预紧力也是难以准确把握的，过松会造成两个锥面不能够紧密结合；过紧又可能出现要个连接面咬死的情况，检修极为困难。
除此之外，这种传动方式的连接后形成的锥面孔径细长，当锥面被破坏后，因为再次焊接的操作难度较大所以不能够保证二次焊接之后连接锥面的平整。因为维修技术和加工工艺不足而导致牵引轴和辊在运转过程中会发生相对位移产生偏差。一方面会导致纺丝丝束缠绕牵引辊使牵引轴上超负荷运转，另一方面也使牵引轴在运转过程中可能会遭受多余的受力，它们随时都会使牵引轴在正常运转过程中出现故障。
2.2牵引轴传动齿轮的故障分析
在生产纺丝的牵伸系统运转过程中，除了会引起牵伸轴断裂发生故障外，牵引轴传动齿轮的损坏也会导致系统无法正常运转。当牵引系统中的某一个牵引轴被腈纶丝束严重缠绕没有得到及时的处理时，牵引系统中的另一个牵引轴则可能会因为腈纶丝断裂而发承受较大的扭矩遭到损坏，所以在牵引系统运转之前计算丝束缠绕时转动齿轮的应力是很有必要的。
即使转动齿轮出现齿面损坏和齿根破损在牵引系统故障中发生次数比较少，但它们对实际的腈纶生产过程中产生的影响也十分严重。通常情况下主动齿轮出现故障是因为被丝束缠绕，主动齿轮的强度难以承受住交变载荷的运转压力，齿面或齿根部位就会出现破损使牵引系统不能够正常运转。根据齿轮断口处的形状，如存在明显的裂纹形成区域或是裂纹蔓延区域，可以据此判断出该齿轮受到的破坏属于交互应力疲劳导致的断裂，但由于可能会受到其他环境条件的影响，也可能是因为齿轮本身的材料结构存在问题或生产过程中的热处理过程没有处理妥当。
3 牵引传动系统故障的解决对策
在实际生产运行和设备维修过程中发现牵引机存在的故障可以从以下几个方面入手解决：
3.1增加牵引轴的直径
将原来牵引轴的直径适当的增加。通过加大其横截面积来提升牵引轴的最大强度载荷，提高牵引轴的使用寿命。
3.2加宽牵引齿轮箱里转动齿轮宽度
适当加宽牵引齿轮箱里转动齿轮的宽度，通过增加其齿轮宽度来提高齿轮本身的强度，在运转过程中能够有效减少工作应力的损坏，避免齿轮和齿面遭到破坏。
3.3强化牵引轴和辊的生产工艺。
严格要求牵引轴和辊的生产工艺可以减小牵引轴和辊安装时的装配空间，增加它们在运转过程中对交互荷载的承受能力。
3.4提升牵引轴表面的强度
牵引系统在运转过程中配件的表面往往会承受大部分的应力，由疲劳损坏产生的裂纹起源区也通常出现在配件的表面部分，因此在牵引轴的生产过程中增加牵引轴表面的耐磨度和粗糙度可以有效缓解表面集中应力的出现，增加牵引轴的使用寿命。
3.5提高间套的密封效果
在生产和装配过程中尽可能的提高各构件之间的密封效果，避免牵引轴和辊接触到未经过处理的水而出现裂纹，影响设备的正常运转。
3.6强化材料把控，提升人员技术
严格要求构件生产时所使用材料的标准和对构件进行热处理加工时的工艺标准，保证工件质量在生产时能够达到使用要求。提高操作人员和维修人员的技术熟练程度，避免因为工作人员出现操作失误而造成损坏。
结束语
通过对牵引轴和传动齿轮发生故障而失效的原因分析可得，目前牵引传动系统中存在冲击载荷的作用以及牵引轴和辊的强度承载力较低时造成牵引系统出现故障的主要因素。除了对牵引机传动系统中的牵引轴和齿轮进行失效分析和改造外，还应该在实际生产过程中注意对工作人员的操作技术要求，减少因为人员操作原因而发生的系统故障。
参考文献
[1]白英杰.纺丝热牵伸机离合刹车系统改进方法探讨[J].中国设备工程,2019(19):101-102
[2]王博.腈纶纺丝生产线控制系统的改造[J].合成技术及应用,2016,31(01):50-55
[3]李和平;巫绪涛;白嘉楠;杨伯源.纺丝热牵伸机牵伸轴结构分析与强度计算[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2001(05):926-930
[4]阚双;杜立岩;宋道明;杨会明.腈纶热牵伸机的优化改造[J].炼油与化工,2014,25(04):52-53
[5]高峰;刘云.纺丝装置牵伸机轴断裂原因分析[J].林业机械与木工设备,2004(08):46-47