煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒焊縫開裂原因及維修措施研究

趙志琴

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司礦山機(jī)械制造維修分公司 寧夏回族自治區(qū)銀川市 750001）

引言

作為固定性強(qiáng)的上運(yùn)式煤礦帶式輸送機(jī)，假如將滾筒后部改向滾筒（又稱二滾筒）卸載后，會(huì)使改向滾筒的受力加大，致使筒皮和副板（或接盤）出現(xiàn)環(huán)形焊縫開裂故障、筒皮出現(xiàn)縱向焊縫開裂故障，最終只有將改向滾筒作報(bào)廢處理。此外，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)改向滾筒出現(xiàn)焊縫開裂的故障，有極大的可能會(huì)造成煤礦帶式輸送機(jī)運(yùn)行中皮帶撕裂惡性安全事故，這是安全生產(chǎn)的定時(shí)炸彈?；诖?，對煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒焊縫開裂原因以及維修措施進(jìn)行研究是非常有意義的。

1 簡析煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒焊縫開裂的裂紋類型

1.1 煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒焊縫開裂的冷裂紋

當(dāng)將焊頭直接冷卻至較低的溫度時(shí)，會(huì)致使煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒并有焊縫開裂的故障出現(xiàn)。依據(jù)成因的不同又可將改向滾筒焊縫開裂的冷裂紋分為淬火、低塑性和氫致延遲這三種不同類型的焊接冷裂紋。①在淬火中或者是在淬火工序完畢之后放置進(jìn)室溫的過程中出現(xiàn)的裂紋，這可稱為淬火裂紋或可稱為時(shí)效裂紋。多種不同的原因致使該類型裂紋的出現(xiàn)，因此在分析和辨認(rèn)該裂紋的不同類型時(shí)，應(yīng)該依據(jù)不同裂紋所具有的特征加以區(qū)分和辨認(rèn)。②當(dāng)將一些低塑性的材料冷卻至最低的溫度時(shí)，因?yàn)椴牧象w積的迅速收縮，產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于塑性材料自身的承受能力時(shí)會(huì)致使裂紋的出現(xiàn)，這可稱為塑性裂紋。③由于氫元素需要有一定的時(shí)間在金屬中擴(kuò)散、集聚和誘發(fā)裂紋的出現(xiàn)，表面看到的是該裂紋是在焊接后經(jīng)過一段較長的時(shí)間才出現(xiàn)的。經(jīng)過焊頭大量的含氫量、組織顯微以及拘束狀況等不同類型因素的互相作用下，致使氫致延遲裂紋的出現(xiàn)。在焊接厚度低于10mm的工件中很少發(fā)現(xiàn)此種裂紋。當(dāng)工件的厚度超過一定的限度時(shí)，會(huì)使焊頭的冷卻速度過快。當(dāng)母材金屬的淬硬傾向比較大時(shí)，在接頭位置或有較多脆硬組織的產(chǎn)生。另外，在焊接工件時(shí)，有較多的氫會(huì)溶解在金屬焊縫中，因?yàn)槔鋮s過程會(huì)致使溶解度的快速下降并擴(kuò)散至熱影響區(qū)。當(dāng)熱影響區(qū)中一些區(qū)域中的氫濃度不斷升高，溫度卻在極速下降時(shí)，會(huì)使開始集聚在金屬焊縫處的氫原子轉(zhuǎn)變?yōu)闅浞肿?，這會(huì)致使金屬內(nèi)部出現(xiàn)較大的局部應(yīng)力，當(dāng)接頭自身所具有的拘束應(yīng)力作用于其上時(shí)，會(huì)致使焊縫裂紋的出現(xiàn)。此種類型的焊縫裂紋大多出現(xiàn)在低、中和金鋼或者高碳鋼的焊接熱影響區(qū)中，有時(shí)會(huì)立即出現(xiàn)在焊接后，有時(shí)可能會(huì)幾天后或是歷經(jīng)較長的時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)焊接一些強(qiáng)度較高的鋼板時(shí)，在焊縫金屬中會(huì)有此種裂紋的出現(xiàn)[1]?？偟膩碚f，以上三種由于不同成因致使的冷裂紋的特點(diǎn)分別為：①裂紋不會(huì)存在于改向滾筒的筒皮和接盤處的焊接中；②較多出現(xiàn)在春秋兩季進(jìn)行的焊接中；③可依據(jù)不同的成因來對該裂紋進(jìn)行判別工作。

1.2 煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒焊縫開裂的熱裂紋

當(dāng)焊接中將熱影響區(qū)以及焊縫處的金屬冷卻至存在于固相線近處的高溫區(qū)所出現(xiàn)的裂紋，可稱為熱裂紋。處于熔融狀態(tài)的液體存在于深且窄的煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒的焊縫中，由于空間太過窄小、金屬熔液量過少、蓄積的熱量過小、溫度降速過快、結(jié)晶速度過快，較易出現(xiàn)偏折，將某些有害物質(zhì)和無用的雜質(zhì)一同擠壓至細(xì)小的焊縫中，這會(huì)致使收縮應(yīng)力快速增大，在此應(yīng)力的作用下，會(huì)致使熱裂紋的出現(xiàn)。該裂紋一般多出現(xiàn)在金屬焊縫之內(nèi)，但也有極大的可能出現(xiàn)在處于焊接熔合線近處的被焊接的母材金屬上。依據(jù)熱裂紋在形成過程中所出現(xiàn)的不同特點(diǎn)，可將其分為結(jié)晶和液化這兩種不同類型的熱裂紋。①在進(jìn)行鋼材的焊接中，存在于焊縫處的S、P等無用的雜質(zhì)會(huì)在結(jié)晶途中產(chǎn)生熔點(diǎn)較低的共晶。當(dāng)結(jié)晶過程處于不斷的持續(xù)中時(shí)，產(chǎn)生于金屬焊縫該過程末期的脆性溫度區(qū)間，其將被緩慢擠出晶界，致使液態(tài)薄膜的出現(xiàn)。當(dāng)處于焊縫凝固或是金屬塑性過低的狀態(tài)下的時(shí)候，因?yàn)椴痪鶆虻睦鋮s導(dǎo)致強(qiáng)烈的收縮而致使變形拉伸遠(yuǎn)大于允許的數(shù)值時(shí)，該種薄膜難以承受極強(qiáng)的應(yīng)力和拉力，致使其沿著晶界開始出現(xiàn)裂紋，該裂紋可稱作結(jié)晶裂紋。②出現(xiàn)在處于焊縫熔合線近處的母材金屬上或是出現(xiàn)在多層先施焊的焊道之內(nèi)的裂紋，可稱作液化裂紋。其成因是因?yàn)楹附訜岬淖饔?，處于焊縫熔合線一側(cè)（通常是外側(cè)）的金屬之內(nèi)會(huì)有沿著晶界局部性質(zhì)的熔化現(xiàn)象出現(xiàn)，接著在冷卻后劇烈的收縮會(huì)致使處于晶界的液化層出現(xiàn)齊整的開裂現(xiàn)象[2]。以下兩種情況會(huì)致使該種裂紋的出現(xiàn)：①母材金屬的晶界有很多熔點(diǎn)較低物質(zhì)的存在；②因?yàn)樯郎剡^于快速，這會(huì)導(dǎo)致一些母材金屬化合物分解但又不能及時(shí)的擴(kuò)散，使晶界局部出現(xiàn)合金元素過于富集的現(xiàn)象，在某種情況下，這些過于富集的合金元素會(huì)形成共晶的成分?？傊瑢α鸭y不同類型進(jìn)行判別，有助于依據(jù)裂紋的實(shí)際狀況，對其成因進(jìn)行分析，進(jìn)而可有助于早日找到解決避免產(chǎn)生裂紋和應(yīng)對裂紋出現(xiàn)的有效措施。

2 煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒焊縫開裂的主要原因分析

2.1 溫度原因所致

由溫度原因所致的煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒焊縫開裂故障的出現(xiàn)，主要可分為下述兩種情況：①由前文可知低塑性等裂紋較多出現(xiàn)在春秋兩季進(jìn)行的焊接中，因此應(yīng)根據(jù)溫度的不同來進(jìn)行合理的焊接。②依據(jù)焊接變形的理論知識(shí)可以知曉，焊接變形的影響因素主要有下述五種：a.變形的大小與焊縫的尺寸以及熔敷金屬量之間呈正相關(guān)關(guān)系；b.在焊縫尺寸相同的情況下，變形的大小與焊縫的熱輸入之間呈正相關(guān)關(guān)系；c.當(dāng)進(jìn)行大且長焊縫的焊接時(shí)，分段焊變形小于直通焊；d.因焊縫的不對稱布置或者是焊接的不對稱，變形的大小與焊縫偏離的程度之間呈正相關(guān)關(guān)系；e.變形的大小與構(gòu)件的剛性之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[3]。此外，有時(shí)一次性的焊接且焊縫的累積長度過長時(shí)，由于焊接中產(chǎn)熱量過大，焊接完畢后降溫過于快速可能會(huì)使應(yīng)力過于集中，這也是致使煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒焊縫開裂故障出現(xiàn)的重要原因。

2.2 材質(zhì)原因所致

在某些滾筒的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，輪轂或是內(nèi)置軸承底座普遍使用35號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼來進(jìn)行毛坯的制作，此外，一般采用A3鋼卷紙進(jìn)行滾筒的筒皮卷制焊接不同種類的鋼材，特別是當(dāng)含碳量比較高，且后者是S、P等無用雜質(zhì)大量存在的時(shí)候，加之焊接的不給力，這極有可能致使煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒焊縫開裂故障的出現(xiàn)。

2.3 坡口原因所致

依照嚴(yán)格的工藝要求對滾筒和鑄鋼接盤進(jìn)行焊接時(shí)，應(yīng)著重加工兩個(gè)部件之間起對接作用的坡口并且應(yīng)有拼接間隙的預(yù)留。對于整個(gè)焊接工程來說，接頭的設(shè)計(jì)是其中較為薄弱的一環(huán)。由于坡口形式關(guān)系到焊縫內(nèi)部和焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制，相關(guān)規(guī)定中有關(guān)焊縫成形系數(shù)的概念為在熔焊的時(shí)候，單道焊縫的橫截面中焊縫寬度和厚度之間的比值在進(jìn)行自動(dòng)性的埋弧焊時(shí)，其焊縫的成形系數(shù)不應(yīng)小于一點(diǎn)三[4]。如果該系數(shù)過小時(shí)，會(huì)使焊縫既窄且深，并且會(huì)由于區(qū)域的偏折導(dǎo)致無用的雜質(zhì)向焊縫中心集聚，致使抗熱裂紋產(chǎn)生的能力變差，因此，焊縫的成形系數(shù)不應(yīng)過小。

2.4 焊接質(zhì)量原因所致

致使焊縫未能徹底熔透的成因有很多種，或是改向滾筒設(shè)坡口設(shè)計(jì)的尺寸太大，或是由于坡口形式、焊縫的截面等原因，最終是指出現(xiàn)焊單面成型雙面，更糟糕的是筒體和其底部之間仍然存有縫隙現(xiàn)象的出現(xiàn)，將改向滾筒的環(huán)焊縫處置于比較大的集中應(yīng)力區(qū)內(nèi)，焊接接頭的降低與結(jié)構(gòu)的疲勞程度增強(qiáng)都與應(yīng)力的過于集中有關(guān)，應(yīng)力過于集中現(xiàn)象的存在是致使在滾筒的焊接或是使用中有焊縫開裂現(xiàn)象的主要原因。

3 煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒焊縫開裂的維修措施研究

3.1 提升改向滾筒的強(qiáng)度與剛度

由于交變應(yīng)作用力對改向滾筒影響的施加，其會(huì)進(jìn)行拉伸和壓縮的反復(fù)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榉磸?fù)而無止境的塑性變形運(yùn)動(dòng)，在冷作性的硬化與集中性應(yīng)力的情形下，最后會(huì)有焊口斷裂的情況發(fā)生。因此，可通過提升改向滾筒的強(qiáng)度與剛度，來防止焊口塑性變形不良狀況的出現(xiàn)?？蓮膬蓚€(gè)方面來提升改向滾筒的強(qiáng)度與剛度：①進(jìn)行改向滾筒筒皮的加厚工作。②盡量縮小支撐的距離。改向滾筒筒體厚度的增加，不但使材料雜費(fèi)上漲，還會(huì)加大改向滾筒的總體造價(jià)和重量。是對改向滾筒的內(nèi)壁普遍采用焊接徑向加強(qiáng)筋的方法。在完成有限元的分析工作和加強(qiáng)筋的焊接工作后，可以看出改向滾筒的變形有了顯而易見的變小狀況出現(xiàn)。與此同時(shí)，在進(jìn)行改向滾筒的筒皮卷制工作時(shí)，應(yīng)注意對筒體的校圓，以增加改向滾筒筒壁的均勻程度[5]。進(jìn)行力學(xué)理論的分析工作可以得知，載荷不變時(shí)，梁的彎矩大小變化和梁的跨度長短與否有著莫大的關(guān)系，通過支點(diǎn)距離的減小，可最大限度的將梁的彎矩降到最低。在進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，可通過輪轂或是副板的支撐位置進(jìn)行適當(dāng)距離的移動(dòng)，盡量向中間位置靠攏。

3.2 加強(qiáng)加工工藝技術(shù)執(zhí)行力度

改向滾筒的筒體焊縫的焊接工藝、高溫回火工藝和焊縫的檢查探傷工藝等是滾筒加工的工藝技術(shù)中最為關(guān)鍵的工藝技術(shù)。應(yīng)用埋弧性的自動(dòng)焊工藝技術(shù)進(jìn)行焊接前的預(yù)熱工作和多個(gè)層次的多道焊接工作。對進(jìn)行焊接的電弧區(qū)有比較嚴(yán)密的保護(hù)措施，氣孔難以形成，焊接的整體工作質(zhì)量較高而且具有穩(wěn)定性，此外，焊接的整個(gè)表面沒有飛濺影響，整體外觀較為平整。在具體的焊接完畢后，需對焊縫進(jìn)行高溫回火的程序，可有效改善金相的整體組織結(jié)構(gòu)，有效的對熱應(yīng)力進(jìn)行消除，進(jìn)而達(dá)到機(jī)械整體性能優(yōu)化的目標(biāo)[6]。

3.3 調(diào)整改向滾筒整體安裝高度

保持除改向滾筒整體安裝高度因素之外的其他因素不變，通過調(diào)整降低改向滾筒整體的安裝高度，來變大改向滾筒進(jìn)出兩種力的夾角。根據(jù)平行四邊形的力的法則可得，進(jìn)出兩種力之間的夾角變大后，總體的合理將會(huì)變小[7]。所以，應(yīng)在條件滿足的情形之下，通過適當(dāng)調(diào)整來有效降低改向滾筒底座的整體高度，也可使改向滾筒的受力減小，進(jìn)而有效降低故障發(fā)生的概率。

3.4 有意提升改向滾筒的整體規(guī)格

由于改向滾筒的受力情況十分復(fù)雜，因此，為了使煤礦帶式輸送機(jī)可以有效而正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，可通過著力提升改向滾筒整體規(guī)格，適當(dāng)?shù)奶嵘南驖L筒筒體厚度、改向滾筒軸承、改向滾筒總軸的參數(shù)，進(jìn)而有效的提升改向滾筒總體的承載力。

3.5 注意改向滾筒實(shí)際的操作狀況

在實(shí)際的操作中，為了增強(qiáng)筋與存在于接盤處的焊接徑向加強(qiáng)筋之間的結(jié)合力度，應(yīng)用給改向滾筒底部進(jìn)行環(huán)形的焊接工藝，與此同時(shí)，對改向滾筒筒皮進(jìn)行加厚工作[8]。可使用25mm厚的鋼板進(jìn)行筒皮的卷制，保證加工后的改向滾筒筒皮厚度約為23mm左右。

4 結(jié)束語

總的來說，滾筒是煤礦帶式輸送機(jī)中最為關(guān)鍵的構(gòu)成部件。筒皮、幅盤（或輪轂）、軸以及軸承底座是構(gòu)成各種不同類型滾筒的主要部件，滾筒有著傳送功能、卸載功能、改向功能以及拖帶功能等眾多功能，滾筒質(zhì)量的高低與否，不僅直接關(guān)系著煤礦帶式輸送機(jī)的輸送質(zhì)量，還影響著煤礦帶式輸送機(jī)的整體運(yùn)行效率。焊接方法是制造滾筒的主要方法，筒皮和副板（或接盤）出現(xiàn)環(huán)形焊縫開裂、筒皮出現(xiàn)縱向焊縫開裂是經(jīng)常發(fā)生的焊接故障。因此，對煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒焊縫開裂原因以及維修措施進(jìn)行研究是非常有意義的。本篇文章首先對煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒焊縫開裂的裂紋類型和主要原因作了簡要的分析和陳述，然后提出了五點(diǎn)對煤礦帶式輸送機(jī)改向滾筒焊縫開裂進(jìn)行維修的有效措施，以期提升企業(yè)的安全生產(chǎn)系數(shù)，促進(jìn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。