可調(diào)傾斜長軸式焊接滾輪架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉　杰，耿　亮，楊道金

（1.山東礦機(jī)集團(tuán)股份有限公司，山東昌樂262400；2.渤海石油裝備巨龍鋼管公司，河北滄州062658）

可調(diào)傾斜長軸式焊接滾輪架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉杰1，耿亮2，楊道金1

（1.山東礦機(jī)集團(tuán)股份有限公司，山東昌樂262400；2.渤海石油裝備巨龍鋼管公司，河北滄州062658）

為改善帶式輸送機(jī)滾筒筒體環(huán)焊縫的外觀和質(zhì)量，對焊接滾輪架進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)、計(jì)算與校核，同時也對防軸向竄動等問題進(jìn)行了探討，最后針對設(shè)計(jì)出的滾筒筒體的可調(diào)傾斜長軸式焊接滾輪架，給出了典型筒體工件的焊接工藝參數(shù)。該滾輪架傾斜布置，對長度和直徑變化均可調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速，有效地實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)輕、中型滾筒的筒皮與接盤船焊縫的自動焊接，為設(shè)計(jì)類似工件的焊接滾輪架提供了參考。

焊接滾輪架；滾筒；設(shè)計(jì)；船焊縫

帶式輸送機(jī)輕、中型滾筒筒體的筒皮與接盤的內(nèi)環(huán)焊縫，普遍采用人工角焊縫焊接，不僅生產(chǎn)效率低，而且立式焊接易產(chǎn)生金屬液流淌、焊縫成型不良等問題，這嚴(yán)重影響到筒體環(huán)焊縫的外觀和內(nèi)部質(zhì)量，而且市場上可供選用的定型的焊接滾輪架，也不能很好地適應(yīng)帶式輸送機(jī)滾筒多種直徑和長度規(guī)格的焊接要求。

為此，我公司專門設(shè)計(jì)了滾筒筒體的可調(diào)傾斜長軸式焊接滾輪架，經(jīng)濟(jì)、有效地實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)各種規(guī)格輕、中型滾筒筒體的筒皮與接盤內(nèi)環(huán)焊縫的自動焊接，同時因焊接滾輪架傾斜布置而形成的船焊縫成形好、美觀。

1　焊接滾輪架的方案設(shè)計(jì)

1.1焊接滾輪架總體方案的確定

帶式輸送機(jī)輕、中型滾筒筒體的主要技術(shù)參數(shù)，如表1.

表1　輕、中型滾筒筒體的直徑和長度尺寸

設(shè)計(jì)的焊接滾輪架是以DTⅡ（A）型帶式輸送機(jī)直徑為1 400 mm、長度為1 600 mm的中型滾筒筒體進(jìn)行設(shè)計(jì)的，筒體的重量取為4 000 kg.另外，根據(jù)《JB/T9187-1999焊接滾輪架》標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，滾輪架的方案選用長軸式布置方案較為適宜，滾輪架的傾斜角度取30°～45°，并采用橡膠輪面結(jié)構(gòu)使傳動平穩(wěn)，增大傳動摩擦力。滾輪直徑確定為Dr=260mm，滾輪寬度B=150 mm.

1.2驅(qū)動方案和調(diào)速形式的確定

長軸式焊接滾輪架傳動的工作原理如圖1，利用滾輪總成與筒體工件間的摩擦力，驅(qū)動裝置驅(qū)動主動滾輪總成2順時針轉(zhuǎn)動，并帶動筒體工件逆時針旋轉(zhuǎn)，從動滾輪總成3則隨工件順時針轉(zhuǎn)動，最終實(shí)現(xiàn)了整個傳動的過程。

圖1　焊接滾輪架傳動原理圖

依據(jù)已選定的焊接滾輪架的總體方案和滾輪架的傳動原理，驅(qū)動裝置采用直聯(lián)電動機(jī)式的雙級蝸輪減速機(jī)，主動滾輪總成與減速機(jī)的低速軸采用彈性柱銷聯(lián)軸器聯(lián)接。另外，由于變頻能無級調(diào)速，調(diào)速范圍大，傳動平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)多特性調(diào)速，操作方便，焊接滾輪架的調(diào)速形式就選用變頻調(diào)速。

設(shè)計(jì)的可調(diào)傾斜長軸式焊接滾輪架如圖2，主要組成部分包括：主從動滾輪總成、防竄動限位機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置、傾斜支架、電氣系統(tǒng)等。筒體工件焊接操作時，為降低勞動強(qiáng)度，提高焊接工作效率，還可配合伸縮臂式焊接操作機(jī)對工件進(jìn)行焊接。另外，設(shè)計(jì)的主、從動滾輪總成斜向平行布置，主動滾輪固定在傾斜支架上，通過T形槽無級調(diào)整從動滾輪總成與主動滾輪總成間的距離。

1.3防竄動限位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于筒體工件的自重，以及主、從動滾輪與筒體接觸處存在的軸向分力，需要在滾輪架的下部設(shè)計(jì)防軸向竄動限位機(jī)構(gòu)，限制筒體端部因意外因素的下滑。設(shè)計(jì)的限位機(jī)構(gòu)的啞鈴狀輥體用壓板固定于座體上，輥體軸與座體采用絕緣套隔離，并使用壓配式油杯定期潤滑。焊接時，主動滾輪總成帶動筒體可與限位機(jī)構(gòu)的啞鈴狀輥體一起轉(zhuǎn)動，摩擦阻力小。

圖2　傾斜長軸式焊接滾輪架結(jié)構(gòu)圖

在焊接過程中，由于筒體的圓柱度大、端部不平齊等因素的影響，筒體旋轉(zhuǎn)受力不均衡而產(chǎn)生徑向跳動，輥體啞鈴狀的設(shè)計(jì)限制了筒體的徑向位移，不僅起到斜向的軸向定位作用，而且在實(shí)際使用中對防止徑向竄動起到了意想不到的效果，保證了焊接質(zhì)量。

1.4滾輪的軸向調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)還考慮到了筒體長度的變化，并專門設(shè)計(jì)了滾輪的軸向?qū)蚧瑒訖C(jī)構(gòu)，滾輪總成的軸向?yàn)閮蓚€滾輪驅(qū)動的形式，兩個滾輪都可以軸向調(diào)節(jié)，使用時只需調(diào)節(jié)兩滾輪軸向上的位置，就可適應(yīng)筒體長度尺寸的變化，不需要整體調(diào)整主從動滾輪總成或工件的位置。

2　計(jì)算與校核

2.1已知數(shù)據(jù)

設(shè)計(jì)按照滾筒筒體直徑Dmin=400 mm和Dmax= 1 400 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)，另外，根據(jù)通常采用的輕、中型筒體的焊接工藝數(shù)據(jù)，取筒體焊接的線速度范圍為：v=0.1m·min-1～1.0m·min-1.

2.2滾輪中心距的確定

如圖1，滾筒中心與支撐滾輪中心連線的夾角α為中心角，取α為50°～120°時，有利于筒體工作穩(wěn)定而均勻地轉(zhuǎn)動，并可以減少滾輪的驅(qū)動圓周力。因此，對應(yīng)的筒體直徑不應(yīng)超過下述范圍：

由式（1）、（2）得：

Lmax=781.8mm，Lmin=562.9 mm

2.3驅(qū)動功率和速比的計(jì)算與選擇

2.3.1滾輪轉(zhuǎn)速的確定

滾輪總成的滾輪外徑的線速度為：

0.1m/min～1.0 m/min；

故滾輪轉(zhuǎn)速應(yīng)為：

nmin=vmin/2πDr=0.127 4 r/min；

nmax=vmax/2πDr=1.274 r/min.

2.3.2驅(qū)動電機(jī)功率的確定

滾筒筒體與滾輪間的摩擦力矩為主要的阻力矩，取主動滾輪的驅(qū)動力矩為：Mn=391.1 N·m，由此計(jì)算出的驅(qū)動滾輪架的軸功率N=Mn·nmax/9550/η= 0.340 kW.其中，雙級蝸輪減速機(jī)和彈性聯(lián)軸器的總效率：η=0.4×0.4×0.96=0.153 6.

選用變頻電機(jī)的額定功率為1.1 kW，同步轉(zhuǎn)速為1 000 r/min.

2.3.3驅(qū)動部分速比的確定及分配

相對于滾輪的轉(zhuǎn)速nmax和nmin，焊接滾輪架驅(qū)動部分總速比為：

imax=1 000/0.127 4=7 850；

imin=1 000/1.274=785.

根據(jù)選定的驅(qū)動方案，將總減速比合理分配為兩部分：減速機(jī)的速比i1=30×40=1 200和變頻調(diào)速系統(tǒng)速比i2.變頻電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)為無級調(diào)速，焊接滾輪架用變頻電機(jī)變頻器的頻率改變來調(diào)整焊接速度的大小，當(dāng)滾輪轉(zhuǎn)速最低nmin=0.127 4 r/min，速比為i2=imax/i1=6.54，此時頻率為8.189 Hz；當(dāng)滾輪轉(zhuǎn)速最高nmax=1.274 r/min，速比為=imin/i1=0.654，此時頻率為81.89 Hz.

3　滾輪架焊接工藝的確定

焊接滾輪架在設(shè)計(jì)完成后，對不同的筒體工件，需要進(jìn)行焊接工藝參數(shù)及焊縫質(zhì)量的評定，試驗(yàn)中焊接的筒體外形尺寸為808 mm×1150 mm，采用CO2氣體保護(hù)焊焊接，焊絲型號為ER50-6，直徑1.2 mm，CO2氣體流量為20 L/min，經(jīng)過對焊接焊縫的結(jié)果進(jìn)行對比分析，此種型號的筒體工件調(diào)定的滾輪架的焊接工藝參數(shù)，如表2.

表2　焊接筒體的焊接工藝參數(shù)

從表2可以看出，在焊接操作時，在設(shè)定好電流和電壓后，可根據(jù)需要的焊接速度，調(diào)整出變頻器對應(yīng)的頻率大小。

4　焊接滾輪架的使用效果

設(shè)計(jì)的可調(diào)傾斜長軸式焊接滾輪架，主、從動滾輪總成上均為軸向一排兩個滾輪傳動，而且軸向滾輪的間距可調(diào)。根據(jù)筒體工件的直徑和長度尺寸，只需要調(diào)整主從動滾輪的橫向距離和軸向兩滾輪的相互位置就完全能實(shí)現(xiàn)焊接操作。另外，焊接速度的調(diào)節(jié)應(yīng)用變頻調(diào)速，更便于焊接速度的調(diào)整。

焊接滾輪架自2011年2月經(jīng)過工裝驗(yàn)證并投入使用以來，運(yùn)行良好。輕、中型滾筒筒體工件焊接的勞動強(qiáng)度明顯降低，生產(chǎn)效率也比手工焊接提高了近30%，而且自動焊接后的筒體工件船形環(huán)焊縫均勻，焊接變形小，氣孔、雜質(zhì)、裂紋、咬邊的缺陷明顯減少，徹底解決了立式焊接的金屬液體流淌、焊縫成型不良的技術(shù)難題。本焊接工藝裝備同樣也適宜于其他行業(yè)的筒形類，如長度、直徑系列變化的工件的自動焊接。

［1］王政.焊接工裝夾具及變位機(jī)械［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001．

［2］北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所，武漢豐凡科技開發(fā)有限責(zé)任公司. DTⅡ（A）型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社.

［3］李建堂.鋼管焊接工藝裝備導(dǎo)輪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［G］//第八屆全國海洋工程學(xué)術(shù)會議論文集，2000.

［4］濮良貴.機(jī)械零件［M］.北京：高等教育出版社，1992.

Design and Application of the Ad justable Inclined Long Shaft Type Welding Roller Frame

LIU Jie1，GENG Liang2，YANG Dao-jin1
（1.Shandong Mining Machinery Group CO.LTD.，Changle Shandong 262400，China；2.Bohai Petrolic Equipment Julong Steel Pipe Corporation，Cangzhou Hebei062658，China）

To improve the appearance and quality of the girth weld of the belt conveyor roller shell，the welding roller framewere designed，calculated and checked，and the anti-axial float of the welding roller frame were also discussed in the paper，finally considering the adjustable inclined long shaft typewelding roller frame，the welding process parameters of a typical shell pieceswere determined.This roller frame was set inclined，the length and diameter of the shell was adjustable，effectively realized automatic welding of the light and medium belt conveyor roller with flange ship weld seam，providing reference for designing similar workpiece welding roller frame.

welding roller frame，pulley，design，ship weld seam

TH222

A

1674-6694（2015）04-0003-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.04.002

2015-03-10

劉杰（1981-），男，山東昌樂人，碩士，工程師，主要從事金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料加工工藝的研究。