港口皮帶輸送機滾筒故障分析及處理措施

鄭始才

【摘 要】改向滾筒是港口皮帶輸送機的重要組成部分，其在運行過程中容易出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，影響到港口碼頭的正常運作。本文通過介紹皮帶輸送機滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計及受力情況，探討了皮帶輸送機滾筒故障的處理措施，并闡述了滾筒部位的施工工藝技術(shù)，以期指導(dǎo)實踐。

【關(guān)鍵詞】皮帶輸送機；滾筒故障；受力分析；工藝技術(shù)

由于皮帶輸送機受作業(yè)環(huán)境條件差、輸送負荷大等因素的印象，在運行過程中時常會出現(xiàn)一些故障，主要包括皮帶跑偏、滾筒斷裂和撒料現(xiàn)象等，其中滾筒斷裂故障是皮帶輸送機運行中最為常見的故障隱患。若操作人員不及時采取必要地處理措施，不僅會給港口碼頭的日常運作帶來一定的安全隱患，而且滾筒的斷裂很可能造成撕扯皮帶的惡性事故，導(dǎo)致重大的經(jīng)濟損失。因此，如何有效解決滾筒斷裂故障就港口操作人員亟待解決的難題之一。

1.滾筒的結(jié)構(gòu)

許多港口改向滾筒設(shè)計的圖紙均采用鑄焊結(jié)構(gòu)，即接盤為ZG25～35整體鑄鋼，筒皮用Q345鋼板卷制，軸為40Cr，見圖1。

圖1滾筒的鑄焊結(jié)構(gòu)

2.滾筒的受力分析

傳動滾筒受力為：皮帶機的張力產(chǎn)生的壓力f0，摩擦力Ff以及主動力矩Mp。改向滾筒受力為：皮帶張緊力f0，摩擦力Ff。兩種滾筒相比，傳動滾筒比改向滾筒多一個主動力矩。但改向滾筒由于張緊形式不同，承受的皮帶張力有時會更大。實踐證明，改向滾筒的斷裂幾率比傳動滾筒還要高。

實踐表明，長期在交變應(yīng)力作用下工作的滾筒，雖然其最大工作應(yīng)力遠低于材料在靜載荷下的極限應(yīng)力，但卻會出現(xiàn)突然斷裂事故，而且是在沒有明顯塑性變形情況下發(fā)生脆性斷裂，也就是疲勞破壞。疲勞破壞的過程并不在滾筒應(yīng)力最大處，而是在材料的缺陷處。軸的斷裂在軸承臺附近的突變和應(yīng)力集中處，而筒皮則在焊口處。焊口在焊接過程中由于高溫有碳化點小洞，形成了先天的應(yīng)力集中點。在經(jīng)過應(yīng)力多次交替變化后，首先產(chǎn)生細微裂紋，也就是疲勞元。這種裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增多而逐漸擴展，裂紋兩端的材料時分時合，并互相研磨，形成斷面的光滑區(qū)域。隨著裂紋的不斷擴展，焊口處的有效面積不斷減小，以至于突然斷裂，造成嚴重后果。

3.提高滾筒的剛度和強度的措施

滾筒在交變應(yīng)力的作用下，反復(fù)拉伸壓縮，由于不斷地塑性變形，焊口在冷作硬化和應(yīng)力集中的狀態(tài)下最終導(dǎo)致斷裂。為了防止焊口處的塑性變形，要提高整個滾筒的剛度和強度。

圖2加固后的筒體

提高滾筒的強度，根據(jù)正應(yīng)力強度條件可知，梁的截面抗彎能力取決于抗彎截面模量，而梁在任一指定截面處的位移則與全梁的變形大小有關(guān)。因此為了提高梁的剛度，必須使全梁的變形減小，因而應(yīng)增大全梁或較大部分梁的截面慣性矩才能達到目的。根據(jù)正應(yīng)力公式：

σmax=（Mmaxymax）/Iz，撓度公式fmax=（5ql4）/（384EIz）可知當(dāng)Iz越大時滾筒的剛度、強度越提高，見圖2。

根據(jù)滾筒有限元計算進行優(yōu)化設(shè)計。當(dāng)筒壁變薄時，筒壁變形明顯增加，導(dǎo)致焊縫處應(yīng)力集中加大，在滾筒內(nèi)壁焊徑向加強環(huán)，并沿軸向焊加強筋。有限元計算結(jié)果顯示，減小滾筒變形效果是很明顯的，從0.273mm降低到0.219mm，應(yīng)力云圖中的數(shù)值由42MPa降至30MPa。焊縫的應(yīng)力集中明顯減小，說明不用加厚筒皮，也能提高滾筒整體的剛度和強度。

通過對焊接加強筋的滾筒進行有限元分析，滾筒變形明顯減小，焊縫處應(yīng)力集中明顯減小，基本上達到優(yōu)化筒內(nèi)壁厚度的目的，使?jié)L筒變得更加輕巧，又不影響滾筒的實際強度。目前，重型滾筒采用了這種加強措施。如果單純加厚筒皮，不僅加大了材料的浪費，也提高了造價和滾筒本身的重量。筆者認為，滾筒損壞也是一項系統(tǒng)工程，要綜合考慮。首先，滾筒要有足夠的剛性，以抵抗交變應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞損害，還要在提高剛性加固滾筒的同時，改變一下滾筒的結(jié)構(gòu)。

4.改進支撐點

皮帶張緊力作用在滾筒上，可簡化成均布載荷的梁，由正應(yīng)力強度條件可知，要提高梁的強度，應(yīng)該減少梁的最大彎矩。當(dāng)載荷一定時，梁的最大彎矩值的大小，與梁跨度的長短有關(guān)故減小支點的距離，可以有效降低最大彎矩值。如長度為L并受集度為q的均布載荷作用的簡支梁，其最大彎矩為0.125qL2，如果將兩支座向里移動0.2L，則最大彎矩降為0.025qL2即原來的1/5。

fmax=（5ql4）/（384EIz） Mmax=0.125qL2

兩端外伸梁改進支撐的位置，不僅提高了梁的強度，同時也提高了梁的剛性。梁的轉(zhuǎn)角和撓度與梁的跨度的n次冪成正比?？缍葴p小時，轉(zhuǎn)角和撓度就會有更大程度的減小。例如上圖9均布載荷作用下的簡支梁fmax=（5ql4）/（384EIz），其最大撓度與跨度的四次方成正比。當(dāng)跨度減小為原跨度的1/2時，最大撓度將減小為原撓度的1/16，兩端采用外伸梁結(jié)構(gòu)即減小了跨度，而且外伸端與兩支座間向下的載荷，將分別使軸線上每一點產(chǎn)生相反方向的撓度，從而相互抵銷一部分撓度，也就提高了梁的剛度。

5.滾筒的加工工藝

由于滾筒變形與皮帶受力不均有關(guān)，焊縫出現(xiàn)應(yīng)力集中，顯然在滾筒材料強度要求范圍內(nèi)。但如果焊縫不過關(guān)，存在著很大的殘余焊接應(yīng)力，將可能使焊縫產(chǎn)生壓裂現(xiàn)象。所以，滾筒制造要符合較為嚴格的加工技術(shù)條件，并要求嚴格的焊縫質(zhì)量，注意焊接工藝和去應(yīng)力步驟，同時還要兼顧滾筒的造價和加工周期。只有在全面綜合考慮的情況下，才會有事半功倍的效果。

由于焊接處存在著殘余應(yīng)力或焊口的金屬內(nèi)部組織存在缺陷，經(jīng)過交變應(yīng)力作用出現(xiàn)疲勞裂紋，逐漸發(fā)展到開裂。增加加強筋，改變支撐點等具有理論依據(jù)，但焊接也要有好的工藝措施。

目前，傳統(tǒng)制作滾筒存在著工藝線路反復(fù)，路線長，制作費用高，容易斷裂等問題。傳統(tǒng)工藝路線是：鑄造接盤→卷制并焊接成筒皮→粗加工接盤里孔和坡口→用鏜床鏜筒皮坡口→接盤和筒皮組裝焊接→筒體高溫回火→筒體在鏜床上精加工接盤兩內(nèi)孔→脹套組裝軸和筒體→以軸定心精加工筒體外圓→滾筒粘膠。

在傳統(tǒng)工藝路線中，筒體整體高溫回火的主要原因在于傳統(tǒng)接焊方法是手工焊或埋弧自動焊。這兩種方法存在著因焊接電流大，產(chǎn)生熱量大，熱影響壓力大所造成的焊縫金相組織變粗，機械性能下降，熱應(yīng)力大，工作變形大的弊端。為了消除以上弊端，焊后要求高溫回火，以改善金相組織，消除熱應(yīng)力，提高機械性能。同時，造價也要高些。但如果采用CO2氣體保護焊接，可改善上述癥候。由于CO2氣體保護焊具有熱量集中、線能量低而熔深大的特點，所以熱影響區(qū)窄，焊接應(yīng)力小，變形小。

重新確定加工工藝：

鑄造接盤→卷制并焊接成筒皮→精加工接盤里孔，粗加工接盤外圓按圖紙留2mm余量及坡口，用假軸定心粗加工筒皮長度各100mm→粗加工筒皮外圓及坡口，筒皮與接盤外圓一致→在平臺上用兩個V型鐵組裝滾筒→焊接→退火→精加工，如圖3。

圖3滾筒組裝工藝圖

用兩塊專用V型鐵放在平臺上，兩塊V型鐵是在龍門刨上一同加工出來的，底面與V型面高度一致相互平行，將接盤、筒皮、軸用脹圈同時組裝。接盤與筒皮外徑尺寸一致，接盤內(nèi)孔又與接盤外徑同心（同一刀車成），將軸和兩端接盤、筒皮加工成同一尺寸的地方放在兩個V型鐵上，脹圈具有自動定心功能，使兩個接盤與軸同心地脹在一起。同時，接盤與筒皮又在同一V型鐵上，接盤與筒皮自動同心，徑向不用調(diào)整，只將接盤與筒皮坡口處間隙調(diào)整為2mm即可，然后用手工CO2保護焊接。25%CO2+75%Ar對稱點焊，間隔400mm，點焊長度40mm。

6.結(jié)語

港口皮帶輸送機滾筒故障具有較大的危害性，如何有效解決此類故障對確保港口碼頭的正常運作具有重要影響。本文通過探討港口皮帶輸送機滾筒故障的原因及措施，經(jīng)過實踐證明是可行、合理、可靠和實用的，不僅能夠有效提高滾筒的強度和剛度，而且也保證了滾筒質(zhì)量及使用壽命，為類似故障的處理提供了科學(xué)的指導(dǎo)意義。

參考文獻：

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