关键词：卧螺机;振动;物料堆积;生产能力
1、离心分离机概述
离心分离机是利用转鼓旋转产生的离心惯性力来实现悬浮液、乳浊液及其他物料的分离或浓缩的机器.广泛应用在资源开发、化工等生产过程以及三废治理等工业生产上[1].离心分离机的种类很多,以下主要针对卧式螺旋卸料沉降式离心机（简称卧螺机）进行讨论.卧螺机是利用离心沉降法来分离悬浮液,可以全速运转,连续进料、分离,由螺旋输送器卸料的离心机.适用于分离粘度大,颗粒细,难过滤的中等及细颗粒,同时固相密度大于液相密度,固相浓度在2～50%之间,颗粒直径变化比较大的悬浮液.
催化剂污水装置是处理催化剂生产装置排出的含白土颗粒、酸、碱、氨等的悬浮液的废水处理装置.其主要采用的方法是中和、分级沉降、离心脱水.
卧螺机是污水处理装置的关键设备,它工作的正常与否、处理量的大小、分离效果的好坏直接影响着装置的处理量和污水排放是否能够达标.自装置开工以来,卧螺机运行一直不正常,因振动大、轴承损坏、掉皮带、不出料等故障多次维修,由于该机结构较为复杂,配件材质多为不锈钢,修复较困难,检修周期长,给正常生产带来很大压力.频繁检修,也大大增加了维修成本,使正常维护工作陷入很被动的局面.
2、故障原因分析
2.1 主要故障现象
（1）振动烈度大.轴承部位最大振值可达到200ｍｍ/ｓ,可明显看到振动的表现.轴承箱垂直方向振动比水平方向大2～3倍.使用ＣＳＩ2115振动分析仪监测,振动主要是由转鼓和螺旋的不平衡引起的;
（2）参与振动的附属设备多,出料口,皮带轮护罩,清液出口管线,进料管等均发生强烈振动.曾多次造成进料管断裂;
（3）拆检时螺旋轴承一般已损坏.轴承箱骨架密封圈失效,料液进入轴承箱,有大量物料堵塞在其中,润滑脂基本上已不存在,密封圈与轴接触的部位磨出凹槽;
（4）由于振动较大,主轴承和螺旋轴承易烧毁.转鼓差速器端短轴曾在运行中发生突然断为两截的事故.
从以上故障现象可以看出,振动是离心机发生故障最普遍的问题,也是导致大部分部件损坏的直接原因.
2.2 故障原因分析
ＬＷ卧式螺旋卸料沉降离心机结构及工作原理见文献[2].
为了弄清振动的原因对离心机进行了多次动平衡校验,更换转鼓和螺旋部分所有轴承,对差速器（摆线针轮减速机）进行检修,并与外转鼓一同做动平衡校验.应用先进的ＣＳＩ2115振动分析仪进行跟踪监测,通过监测发现:
（1）机器初次进料时运行状态较好,振动比较正常,而随着时间的推移振动会逐渐增大,尤其在出现突然停机现象时,再次开机振动就会突然增大.从ＣＳＩ2115振动分析仪频谱图上可以看出这一过程中变化最明显的是内螺旋的振动值,而外转鼓的振动值变化不大.因此可以得出结论,整个机器振动增大是内螺旋不平衡急剧增大的结果.
（2）机器拆开检查,发现螺旋内分离区堵料严重.可以推断,振动增大是由离心力分离出的固体物料堆积在螺旋内随螺旋一同旋转无法排出而破坏了螺旋的动平衡,引起振动增大.这时分离出的物料也无法被推到排出口,机器几乎失去了生产能力.剧烈的振动直接造成了轴、进料管的断裂.遂对物料堆积时的分离过程进行初步分析[3]:
由于物料进入机体不远即从螺旋进料口进入转鼓开始分离,流体在机内运动距离不长,自冲洗性能差,堆积层会逐渐填满整个分离区,摩擦阻力使得螺旋和转鼓之间逐渐减小,最终同步,造成差速器负荷急剧增大,发热严重,最终损坏;
由于物料堆积,物料流通截面积的减小,进料端整体压力提高,夹杂大量固体颗粒的料液积留在螺旋轴承附近（正常状态下应无料液积留）,会逐渐窜进轴承箱,剧烈的振动使轴承很快损坏,料液会直接从溢流孔喷出[4];
根据以上分析,引起该机故障的主要因素是物料的堆积,其他故障均由此引起.
3、生产能力核算
为了找到物料堆积的原因,针对这种物料和工况对离心机的生产能力进行了核算.
3.1 最小分离粒径的确定
根据要求,正常生产时清液的含水量应大于99%,泥饼含固率25%左右,进料口物料实测平均含水率96.46%（质量百分比）.若要达到此结果,按照物料平衡理论计算[5].
设:固体回收率为1-ｘ,液相回收率为ｙ.
泥饼中的含固率：
由上式计算得知,必须有74.74%（质量百分比）的固体颗粒被分离出来,根据上面的粒度测试结果,则分离最小粒径约为4.5μｍ.
3.2 物料特性
该机所能达到的最大转速为3200ｒ/ｍｉｎ.
3.3 生产能力过程计算[6]
生产能力为
（1）理论最大生产能力 按上述计算过程可得到对于现有介质的理论最大生产能力为Ｑ=6.39ｍ3/ｈ.进料泵流量为15ｍ3/ｈ,同时提供2台离心机的进料.而每台离心机的进料流量为7.5ｍ3/ｈ,显然已经超出了该机的生产能力.
（2）实际生产能力 实际操作中不会使用最高转速进行分离,因为离心机分离需使用一个合适的分离因数Ｆｒ:
用以保证分离效果,同时又不会使离心力过大,增大螺旋输送的阻力,导致输送效率的降低,甚至造成堵料.根据经验分离这种物料的分离因数约为1500比较合适,此时转速为2600ｒ/ｍｉｎ.
根据实际情况计算得到的生产能力为5.34ｍ3/ｈ.
3.4 进料流量超出生产能力的影响
从上面计算可知,进料流量明显超过生产能力,若遇到检修,一台泵供一台离心机进料时,则进料量将超出近2倍.
由沉降式离心机生产能力理论可知,当粒子在转鼓内的停留时间ｔ2大于等于固相粒子从液面Ｒ0沉降到转鼓壁Ｒ处所需时间ｔ1时,即可得出上面的生产能力计算公式.这时,
由上式,当其他条件不变时,流量增大,相应的所能分离的粒子最大直径也相应增大.当流量为7.5ｍ3/ｈ时,转速不变仍为2600ｒ/ｍｉｎ时,所能分离的粒子最大直径为5.33ｍ.根据粒度分析结果可知,此时的固体回收率为70%.
这时进行物料平衡计算.当进料流量大于生产能力与实际进料流量相同时（7.5ｍ3/ｈ）分离出的干固体质量为190.04ｋｇ/ｈ;当进料流量与生产能力相当为5.34ｍ3/ｈ时,分离出的干固体质量为144.97ｋｇ/ｈ.
由此可知,由于进料流量的增大,相对在该转速下的生产能力而言,每小时多分离出的干固体质量为45.1ｋｇ.
转鼓在一定转速下时,螺旋与转鼓的差速固定,螺旋推料扭矩完全由皮带轮通过差速器传递,其输送能力无法提高,沉渣无法及时输送排出,就造成了逐渐严重的积料现象,随着积料过程的发展,螺旋推料扭矩增大,皮带开始打滑,差速逐渐降低,螺旋输送能力进一步降低,形成恶性循环,直到差速为0,皮带严重磨损甚至断裂而完全失去生产能力[7].
4 解决途径及改进方法
通过以上分析,要避免该机发生的各种故障,关键在于解决物料的堆堵问题,也就是解决生产能力与进料流量之间相匹配的问题.可以通过几种途径解决[8,9].
4.1 提高生产能力
（1）提高入口介质温度,降低液相粘度,可以提高颗粒的质量沉降速度ｖｇ,就可提高生产能力;
（2）通过计算发现,适当增大溢流半径,降低液层深度,可以少量提高生产能力.而且可以减少沉渣层厚度,减少螺旋阻力.
4.2 降低入口流量这是解决这一问题的根本途径,通过增加变频调速或增加回流旁路调整入口流量,使得入口流量等于或小于生产能力则可彻底解决这个问题.
4.3 提高螺旋能力
（1）更换皮带轮,增大差速,使得多沉降下来的沉渣能被及时输送出去,相当于提高了生产能力;
（2）通过传动部分的设计,提高螺旋扭矩,可以提高螺旋抗堵能力,提高其输送能力,目前离心机的设计中十分注重这一扭矩的选取,类似机型的扭矩选取到6000Ｎｍ左右;
（3）在转鼓内壁增加轴向筋条,通过筋条之间填充的物料增大周向摩擦力,提高螺旋输送效率,又保护了转鼓内壁不被磨损.
结合上述方法,如果螺旋差速可以自动根据扭矩的增大而增大,同时进料流量减小或切断,甚至转鼓转速也适当降低,则可基本消除堵料的可能.目前新型的离心分离机都采用了这样方式进行控制,可实现差速随扭矩变化,进料量可控,并且有自动清堵及冲洗程序,基本消除了因堵料或意外停机造成的振动超标无法开机的现象.
5 结论
通过对催化剂离心分离机故障现象分析和初步判断后对生产能力进行核算,找出了故障产生的根源.并提出切实可行的解决方案,实践证明,通过几种方案对离心机进行改造后,大大减少了故障停机时间和检修时间,效果明显,对连续生产的工艺过程特别是环保方面的污水处理装置具有显著的经济效益和社会效益.
参考文献:
[1] 张涵主.化工机器[Ｍ].北京:化学工业出版社,2005.
[2] 金鼎五.化学工程手册-液固分离[Ｍ].北京:化学工业出版社,2000.
[3] 陈敏恒,丛德滋,方图南.化工原理上册[Ｍ].北京:化学工业出版社,1985.
[4] 李力峰,王进泽.沉降式离心机振动原因分析[Ｊ].炼油与化工,2003,14（4）:44.
[5] 毕秦岭.螺旋沉降离心机扭矩高的原因分析及改进[Ｊ].石化技术与应用,2001,19（4）:35 37.
[6] 孙启才,金鼎五.离心机原理结构与设计计算[Ｍ].北京:机械工业出版社,1987.
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[8] 郑荣惠.沉降式离心机振动故障与对策[Ｊ].机械工程学报,1994,30（1）:94 100.
[9] 杨军虎,张学静.离心泵叶轮与导叶的三维实体造型研究[Ｊ].甘肃科学学报,2004,16（3）:102 105.
