UP850-N型切粒機切刀崩刃原因分析及處理方法

劉 煜， 文全國， 孫華麗， 張艷全， 王傳榮

(中國石油 獨山子石化分公司， 新疆 獨山子 833699)

UP850-N型切粒機是某單位聚乙烯生產的關鍵設備。聚乙烯粉料與添加劑混合態進入擠壓機筒體，在高溫下被擠壓熔融，擠壓機的功能是將熔融的聚乙烯混煉、升壓，經排料閥、齒輪泵及篩網進入模板切粒[1]。切粒機的作用是將從擠壓機模板擠出的190 ℃左右的聚乙烯樹脂長條在60～70 ℃的水下進行冷卻，并用24把不停旋轉的切刀將其切割成長度(2.5±0.5)mm、直徑3.2～4.5 mm的圓柱體小顆粒[2]，圓柱體小顆粒被循環水帶至干燥器干燥后再送去包裝。

UP850-N型切粒機由日本神戶制鋼廠制造，最大生產能力48 t/h，電機功率180 kW，轉速150～450 r/min。該切粒機由模板、水室、切刀和刀架4部分組成，外觀見圖1。

圖1 UP850-N型切粒機外觀圖

切粒機運行中切刀頻繁發生故障，統計歷次檢修情況發現，自2017年下半年以來，切粒機總共更換切刀12次，其中切刀崩刃9次，甚至出現1次磨刀過程中連續4次切刀崩刃的情況。檢查切粒機齒套聯軸器對中數據，其同心度0.06 mm、外圓0.08 mm，符合同心度不大于0.1 mm、外圓不大于0.1 mm要求[3]。檢查刀軸與模板垂直度，符合垂直度每100 mm不大于0.03 mm的要求[4]，可以排除切粒機對中不良及刀盤與模板垂直度超標引起切刀崩刃的可能性。切刀崩刃故障嚴重制約了機組的平穩運行，成為亟待解決的難題。文中對切刀崩刃原因進行分析，并提出了對應的解決措施。

1 切刀崩刃原因分析

1.1 切刀進刀風壓不變化

切粒機生產廠家技術要求中進刀風壓控制標準為0.36～0.40 MPa[4]，實際生產中進刀風壓一直維持在0.36 MPa。但裝置經常切換生產不同牌號的產品，生產低熔融指數牌號和高熔融指數牌號產品時，物料硬度會發生改變。一般地，熔體質量流動速率越低的聚乙烯塑料，熔融料硬度越大，對切刀刀刃的摩擦較大[5]。根據生產廠家提供的壓力、轉速、負荷的平衡圖得知，進刀風壓應隨生產物料的硬度進行相應調整[6]，而實際風壓一直為0.36 MPa，一旦出現壓力波動或者負荷變化，切刀與模板瞬間產生間隙，形成墊刀現象[7]，造成切刀崩刃(圖2)。

圖2 墊刀造成切刀根部崩刃

1.2 未執行切刀安裝標準

切刀的平面度指切刀盤上各切刀的高矮程度，是影響切刀使用壽命的重要因素，要求每把切刀都在同一平面上[8]。切刀安裝標準中要求每次更換備刀前必須檢查修理切刀刀盤表面的毛刺，清理刀盤內孔，對每把切刀，應檢查頭部、中部、根部3個點，刀盤平面度最大誤差應不大于±0.02 mm。

切粒機實際運行過程中出現過纏刀等現象，造成刀盤發生部分變形，而現場檢修人員檢查刀盤平面度時，只檢查中間或距切刀根部2/3處的平面度，造成刀盤整體平面度超差。切刀組裝后抽查部分切刀的刀盤平面度，具體數據見表1。由表1可以看出，8把切刀的平面度超出切刀安裝標準要求的誤差范圍，最大達到0.15 mm。刀盤平面度超差造成切刀與模板貼合不好，在磨刀過程中出現墊刀現象，進而造成崩刃。

表1 部分切刀刀盤平面度抽查數據 mm

1.3 切刀材質不符合工藝要求

切刀與模板接觸，切刀刀刃與模板切粒面之間形成一對剪切刃，切刀材料質量對其壽命影響較大[9]。該切粒機切刀由沈陽金峰刀具制造有限公司生產，刀體材質為3Gr13不銹鋼，刀刃材質為鎳基碳化鈦。鎳基碳化鈦的硬度為55～57HRC、摩擦因數為0.245。對于較硬的物料，摩擦因數應不超過0.18，而鎳基碳化鈦摩擦因數過大造成切刀的磨損速度加快，出現切刀崩刃。

對幾次崩刃的切刀進行抽查編號，檢查其平面度磨痕深度及硬度，結果見表2。

表2 崩刃切刀平面度及硬度檢查數據

分析表2數據可知，崩刃破壞了切刀整體內應力的平衡狀態，使切刀發生變形，進而在根部發生斷裂或產生裂紋。

1.4 磨刀時切刀的進刀風壓不合適

磨刀時切刀進刀分壓第一次為0.28 MPa，第二次為0.38 MPa，甚至可以達到0.42 MPa，不符合磨刀壓力要求。結合磨刀過程中發生的切刀崩刃現象，現場查看磨痕發現切刀根部出現異常磨損。切刀與模板之間存在墊刀料，墊刀料與切刀磨損，致使磨痕粗糙[10]。從切刀的磨痕看出，磨刀壓力稍大造成了切刀根部受力過大，致使局部摩擦過熱，產生刀刃發藍退火現象，造成切刀根部崩刃。

2 切刀崩刃處理方法

2.1 優化轉速與進刀壓力關系曲線

切刀對模板的壓力會對切刀的使用壽命和粒料形狀產生關鍵影響[11]。切粒機軸與液壓缸相連，可以通過增大或減小液壓來控制軸的進給量，從而控制切刀對模板的壓力。在設備運行時，切刀受到5個不同的壓力(圖3)，使得切刀緊貼在模板上，才能使切粒機正常運行。

圖3 切粒機運行時切刀受力情況

切刀對模板的壓力px=p1+p2-(p3+p4+p5)[12]。式中，p1為進刀油壓力，p2為切刀在旋轉時產生的前進力，p3為退刀風壓力，p4為切粒水對切刀向后的阻力，p5為模板擠出的物料的反向推力，MPa。

若px過小，切粒刀磨損后不能進行有效補償，切削料會產生帶尾，碎末料增多嚴重時會發生掛料粘刀、崩刃事故。若px過大，會使切粒刀和模板間摩擦力增大，降低切粒刀壽命[13]?？紤]開車時切刀進刀壓力0.37～0.38 MPa，結合px與轉速n的關系曲線，對生產不同熔融指數牌號產品時切刀對模板的壓力進行標定，結果見表3。

表3 切刀對模板的壓力與轉速的關系

切刀進刀風壓與切刀轉速是否匹配將直接影響切刀的使用壽命[14]，操作時一定要根據生產產品的不同類型、不同牌號及不同負荷等實際情況確定適宜的風壓與切粒機轉速，使切刀與模板面保持恒定壓力，保證切粒機運行平穩，有效防止切刀崩刃。

2.2 嚴格執行切刀安裝檢修規程

檢查和處理刀盤時必須保證刀盤面清潔、光滑、無毛刺，切刀與刀盤是通過內六角螺栓緊固相連的，螺栓分內外螺栓分布，上緊的順序是先外后內，保持一致[15]，防止切刀平面度超差。在不同部位對刀盤的平面度進行檢查，誤差不得超過0.03 mm。將切刀緊固于刀盤上，放置在平臺上并安裝好百分表，將每把切刀進行1～24的編號，檢查每把切刀頭部、中部、根部3個點的平面度，將刀盤旋轉1圈記錄數據，最大與最小數據之差要控制在0.03 mm以下。若超過此數值，需在切刀與刀盤接觸面之間加減墊片進行調整。

此外，需嚴格執行檢修作業全過程控制卡制度，通過檢修作業動作卡來約束檢修人員的檢修行為，使所有的切刀更換工作均能掌控及追溯，從而保證每次檢修的數據控制在標準之內。

2.3 更換切刀材質

切刀是唯一與模板接觸的元件，其質量直接決定著其與模板之間的磨損狀況[16]。根據切粒機工藝參數及產品牌號，經與生產廠家協商，將切刀刀體材質改為13-TiC，刀刃材質改為鐵基碳化鈦[17]。同時調整刀刃的燒結配方，以降低脆性、提高韌性，從而提高切刀的耐沖擊性。將刀刃寬度由2 mm增大至2.3 mm，以增加切刀極限受力，降低開裂、崩刃發生頻次。更換材質后刀刃硬度在60～62HRC，滿足工藝要求。

2.4 嚴格執行磨刀操作規程

嚴格按以下步驟磨刀：①切粒機啟動前檢查切粒機軌道，清理異物。②合上鎖緊切粒機，水室通水，啟動電機，電機轉速為300 r/min。③調整風壓使切刀與模板貼緊，間隙為0。④磨刀約15 min，觀察切粒機上的百分表是否有變化。若無變化，則每次提高分壓0.02 MPa，重復操作，直至百分表讀數為0.05～0.1 mm時，即為磨刀量。⑤排放熱水，脫開水室。⑥確認沿整個切刀均有明顯的磨痕。若有切刀未磨到，則需第2次磨刀。第2次磨刀的磨刀壓力應比第1次磨刀停止時的壓力大0.02 MPa，壓力不能一次提升太多，否則會使根部受力過大，造成根部崩刃。

3 結語

對UP850-N型切粒機切刀崩刃原因進行了分析，從不同方面提出了切刀崩刃處理方法。按文中措施處理后至今再未出現過切刀崩刃的問題，為切粒機的安全、平穩、高質量運行提供了保障。