帶式輸送機(jī)滾筒焊縫的失效機(jī)理研究分析

蔣松樺

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機(jī)是煤礦生產(chǎn)中進(jìn)行煤炭輸送的主要設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)高效率、高運(yùn)量的穩(wěn)定輸送，對(duì)煤礦高效生產(chǎn)提供了重要的保障。滾筒作為帶式輸送機(jī)的重要部件，對(duì)輸送帶的運(yùn)行起到驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)的作用[1]，在使用過(guò)程中承受的載荷較大，且易受到輸送帶的沖擊作用。滾筒在生產(chǎn)過(guò)程中多采用焊接的形式制成，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，存在著焊縫開(kāi)裂失效的問(wèn)題，造成滾筒的損壞，影響帶式輸送機(jī)的運(yùn)行[2]。針對(duì)滾筒焊縫失效的機(jī)理進(jìn)行研究，采用MATLAB仿真的形式對(duì)影響焊縫失效的因素進(jìn)行分析[3]，從而可以采取針對(duì)性的措施，提高焊縫的質(zhì)量，以及帶式輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，保證煤礦開(kāi)采的穩(wěn)定高效生產(chǎn)。

1 帶式輸送機(jī)滾筒焊縫開(kāi)裂失效機(jī)理分析

滾筒在生產(chǎn)過(guò)程中主要采用焊接的形式進(jìn)行制作，滾筒結(jié)構(gòu)中的連接位置處均依靠焊接而成，且都是環(huán)形焊縫，焊縫存在缺陷時(shí)[4]，會(huì)引起焊縫及周邊產(chǎn)生裂紋，在工作過(guò)程中，裂紋受到圓周方向的應(yīng)力作用會(huì)不斷地?cái)U(kuò)展造成焊縫的開(kāi)裂失效。

引起滾筒焊縫裂紋的因素多樣[5]，主要包括焊接過(guò)程中工藝參數(shù)選取不合適、焊接中出現(xiàn)應(yīng)力集中、焊接結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力及焊接材料不一致等。引起焊接問(wèn)題的原因主要是焊接應(yīng)力集中及殘余應(yīng)力的影響。

滾筒焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中主要與焊接構(gòu)件的接頭形式、焊縫的外形及焊接缺陷有關(guān)，焊接的缺陷造成的影響相對(duì)復(fù)雜[6]。焊接的應(yīng)力集中是焊接過(guò)程中造成，對(duì)其不能進(jìn)行定性分析，采用應(yīng)力集中系數(shù)的方式對(duì)應(yīng)力集中進(jìn)行描述[7]，從而定性的分析應(yīng)力集中的程度，從而對(duì)其影響因素進(jìn)行分析。滾筒焊接應(yīng)力集中系數(shù)與焊接滾筒筒體的厚度、焊趾半徑、坡口角度、倒鈍厚度等相關(guān)[8]，由于坡口角度、倒鈍厚度等與焊接加工中的工藝相關(guān)性較大，文中僅對(duì)筒體板厚、焊趾半徑的影響進(jìn)行分析。

焊接殘余應(yīng)力與焊接過(guò)程中產(chǎn)生的較大的溫度差有關(guān)，滾筒焊縫在焊接過(guò)程中受到較大的約束限制其形變量[9]，且溫度差較大造成焊縫處的焊接應(yīng)力值較大，焊接殘余應(yīng)力是必然存在的，當(dāng)殘余應(yīng)力值大于所焊接材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)造成裂紋的產(chǎn)生[10]。

帶式輸送機(jī)滾筒在工作過(guò)程中受到多種載荷的作用，對(duì)焊縫的裂紋造成擴(kuò)展，焊縫的裂紋擴(kuò)展采用應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)描述焊縫的開(kāi)裂狀態(tài)。影響焊縫裂紋擴(kuò)展的因素主要包括輸送帶對(duì)滾筒的包角、滾筒直徑、滾筒與輸送帶分離點(diǎn)的張力作用及摩擦系數(shù)[11]，滾筒的直徑與摩擦系數(shù)屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選取的問(wèn)題，文中僅對(duì)輸送帶與滾筒的包角及分離點(diǎn)的張力作用影響進(jìn)行分析。

2 滾筒焊縫失效影響因素分析及控制

2.1 滾筒焊縫裂紋應(yīng)力集中數(shù)值分析及控制

對(duì)影響焊縫應(yīng)力集中的因素進(jìn)行仿真分析，采用MATLAB分析軟件建立滾筒的結(jié)構(gòu)模型，滾筒的直徑為780 mm，滾筒的寬度為900 mm[12]，對(duì)滾筒的筒體厚度t及焊趾半徑r對(duì)焊縫應(yīng)力集中系數(shù)的影響進(jìn)行分析。當(dāng)焊縫的坡口角度一致時(shí)，不同焊趾半徑下應(yīng)力集中系數(shù)隨筒體厚度的變化如圖1所示，不同筒體厚度下應(yīng)力集中系數(shù)隨焊趾半徑的變化如下頁(yè)圖2所示。

圖1 筒體厚度對(duì)焊縫應(yīng)力集中系數(shù)的影響曲線

圖2 焊趾半徑對(duì)焊縫應(yīng)力集中系數(shù)的影響曲線

從上頁(yè)圖1、圖2中可以看出，在一定的焊趾半徑下，隨著筒體厚度的增加，焊縫的應(yīng)力集中系數(shù)逐漸增加，筒體的厚度越大，焊縫產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)越大；在筒體厚度一定時(shí)，隨著焊趾半徑的增加，焊縫產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)越小，焊趾半徑越小，焊縫產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)越大。在實(shí)際進(jìn)行滾筒的焊接生產(chǎn)時(shí)，焊縫的應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)在1.6～4.0之間，則由上頁(yè)圖1可知對(duì)于筒體厚度在30 mm以內(nèi)焊趾半徑應(yīng)小于3 mm；筒體厚度在30 mm以上焊趾半徑應(yīng)大于1 mm，且優(yōu)先選用較大的焊趾半徑。

對(duì)于焊縫裂紋的產(chǎn)生還存在著氣孔、夾渣和咬邊等焊接的缺陷問(wèn)題，對(duì)于這些問(wèn)題在焊接過(guò)程中要保證坡口的清潔，處理好焊接的接頭，在焊接過(guò)程中選擇合適的焊接電流及焊接速度，并依據(jù)焊接筒體的厚度對(duì)焊趾半徑進(jìn)行合理的選擇，保證焊縫的質(zhì)量，避免應(yīng)力集中引起的焊縫裂紋。

2.2 滾筒焊縫裂紋擴(kuò)展數(shù)值分析及控制

對(duì)影響焊縫應(yīng)力強(qiáng)度因子的因素進(jìn)行仿真分析，采用MATLAB分析軟件建立滾筒的結(jié)構(gòu)模型，對(duì)輸送帶對(duì)滾筒的張力及包角對(duì)焊縫應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響進(jìn)行分析。當(dāng)滾筒與輸送帶的摩擦因數(shù)一定時(shí)，焊縫應(yīng)力強(qiáng)度因子隨張力作用的變化如圖3所示，焊縫應(yīng)力強(qiáng)度因子隨不同包角的變化如圖4所示。

圖3 張力作用對(duì)焊縫應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響曲線

圖4 包角對(duì)焊縫應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響曲線

從圖3、圖4中可以看出，隨著輸送帶對(duì)滾筒張力作用的增加，滾筒焊縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子呈線性增加的趨勢(shì)，隨著包角的增加，滾筒焊縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子呈指數(shù)型增長(zhǎng)的趨勢(shì)，當(dāng)焊縫存在裂紋時(shí)，在輸送帶張力及包角增大時(shí)，會(huì)造成裂紋的擴(kuò)展速率不斷增加造成焊縫的開(kāi)裂失效。對(duì)于滾筒作用的輸送帶張力及包角不能過(guò)大，當(dāng)滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求時(shí)，輸送帶的張力及包角應(yīng)越小越好，滾筒的包角應(yīng)控制在4rad以內(nèi)，從而保證焊縫的使用安全。

滾筒在焊接過(guò)程中，焊縫缺陷造成的裂紋是不可避免的，在滾筒的使用過(guò)程中，應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中合理選取輸送帶對(duì)滾筒的張力及包角大小，減小焊縫裂紋的擴(kuò)展。當(dāng)產(chǎn)生焊縫的裂紋擴(kuò)展時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行修復(fù)，提高滾筒的使用性能及壽命，保證帶式輸送機(jī)的運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

滾筒是帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵部件，對(duì)輸送帶起到支撐及驅(qū)動(dòng)制動(dòng)的作用，滾筒在使用過(guò)程中承受的載荷作用較大，對(duì)其焊接生產(chǎn)的要求較高。在滾筒的失效形式中，滾筒焊縫的開(kāi)裂是造成失效的主要原因。焊縫裂紋的產(chǎn)生主要受到應(yīng)力集中及殘余應(yīng)力的影響，裂紋的擴(kuò)展主要受到輸送帶張力及包角的影響。針對(duì)影響焊縫應(yīng)力集中的因素及影響裂紋擴(kuò)展的因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明，筒體厚度的增加及焊趾半徑的減小，造成焊縫的應(yīng)力集中系數(shù)增加；輸送帶張力及包角增加，造成焊縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子增加。滾筒焊接時(shí)，應(yīng)依據(jù)滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)，合理地選擇焊趾半徑，并在使用過(guò)程中，選擇較小的張力及包角，從而控制焊縫裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，提高滾筒的質(zhì)量，保證帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。