论文部分内容阅读
【摘 要】从设计、制造等两方面对开裂滚筒进行了分析。该滚筒失效的原因是设计考虑不充分。使得接盘与筒皮焊缝存在焊接应力缺陷，导致环焊缝区域的应力集中，最终滚筒在较高应力的作用下筒皮焊接应力区开裂。提出了新的设计结构，提高设备使用的可靠性，并取得了很好的实际效果。
【关键词】皮带机滚筒；开裂分析；接盘与筒体
一、情况介绍
某输煤皮带机的拉紧改向包胶滚筒在运行时发生断裂，滚筒两侧开裂，并形成两个环状裂缝带，造成滚筒失效。本次断裂的滚筒是Φ500胶面改向滚筒，此输煤皮带机处于调试运行阶段，运行时间不到3个月，为找出滚筒开裂原因，对滚筒从设计到生产制作过程进行了全方面分析。
二、滚筒断裂分析
2.1滚筒断裂情况
1）滚筒在筒皮上发生两处断裂，断口基本在一个截面上，形成一个圆环形断裂口，断裂口外观较齐整，断裂口距滚筒端部边缘约110mm。
2）滚筒其环状裂口较整齐，去除滚筒表面胶皮并修磨后，检查发现：两处断裂口位置在接盘的内侧，断裂点基本位于接盘与筒皮角接焊缝接头的根部。从现场开裂状况可以看出，筒皮与拼盘之间角焊缝外观完好，只是筒皮内侧有线状裂纹，破裂筒体上的裂纹起始于筒皮与接盘的角焊缝的热影响区，并由此向筒体的母材延伸。而在现场经过仔细观察，其他部位和零件未发现异常（接盘、轴、胀套、轴承箱等）。
2.2滚筒设计、图纸情况
1）皮带机的主要技术参数为：额定通过能力1600吨/小时；带宽1400mm；带速3.5米/秒；皮带机总长度1300米。对断裂滚筒进行受力分析，其受力T1及T2为90度夹角，经过计算，滚筒所受合力为158KN，按照国标DTII（A）带式输送机设计手册，所选择滚筒所能承受的扭矩能满足使用要求。但此滚筒为拉紧改向滚筒，滚筒围包角比较小，單位面积所承受的压强相对较大，而且皮带边缘正在滚筒环缝处，皮带作用力直接作用在筒体环焊缝处，这个作用力为交变应力，兼之皮带张力又非常大，环焊缝受剪切应力，产生疲劳极限，造成滚筒的开裂。
2）滚筒结构形式见图1，接盘与筒皮采用焊接连接，焊接接头形式为：拼盘单边V型坡口，与筒皮角接连接。
从工艺、质量角度来看，滚筒体设计结构形式不尽合理，拼盘与筒皮的角接焊缝接头，施焊空间较小（约40mm）、操作困难，焊缝质量不易保证，而且焊接产生的应力聚集在焊缝根部，即便热处理退火，也不易消失。而且筒皮外圆有车包胶用高为1.6mm的花纹，结构厚度的严重减薄降低了滚筒体的整体强度。
滚筒筒皮开裂后，经过采用计算机滚筒程序设计进行校核，计算结果显示，滚筒轴、筒皮的材质，轴的直径，筒皮厚度均能达到设计要求，但原结构型式筒皮与接盘根部不易焊透，容易出现夹渣、气孔、裂纹等缺陷，并且焊接应力不易释放，产生应力集中现象。如采用新型式，焊缝为V型或U型坡口，利用现有焊接工艺，可保证焊缝100%合格，滚筒整体退火后，应力去除更彻底。但滚筒结构型式采用图2结构较合理，且接盘厚度宜设计为B=160mm。由于原设计接盘与筒皮环焊缝正处在皮带边缘处，既承受压力，又承受很大的扭矩，受力为交变应力，在皮带的强复合力作用下，焊接应力集中区，反复塑性变形后，易产生裂变。
2.3滚筒制造情况
（1）滚筒生产工艺过程包括以下主要工序：筒皮下料卷制、焊接，筒皮止口加工，筒皮、接盘组对焊接，除应力热处理，焊缝UT探伤，整体机加工镗孔、车外圆，静平衡检测，挂胶，装配轴系零件，包装发运。
（2）筒皮实际厚度检测：现场对筒皮的实际百度进行了测量，筒体的中间部位采用超声波测仪测量，实测厚度为20.96mm（沟槽位置）。筒皮边缘用卡尺测量，实测约20mm。设计图纸中筒皮厚度要求为20mmm。根据GB10595-2009对于筒皮的最小壁厚要求，b1≥b-1（b为筒皮名义厚度，mm），即b1≥19mm，因此，实测筒皮厚度满足图纸要求。
（3）实际制造过程追溯：从制造中收集到滚筒制作过程留下来的相关记录，包括：焊接工艺评定报告、焊缝UT探伤、筒体加工检验记录、除应力处理报告、滚筒装配检验记录等，与设计图纸及相关国标标准对比，各项数据均符合技术要求。在失效的筒体和幅板上取样进行成分分析，对照《中国钢铁材料牌号手册》，筒皮和接盘的化学成分均符合技术要求。从工艺上分析，发现滚筒焊接前会造成根部筒壁处局部较高的焊接残余应力，加之接盘材料为碳当量较高的铸造材料，焊接过程中未进行预热，焊缝根部很易产生残余裂纹。
三、综合分析
（1）滚筒体设计结构不尽合适，筒体与幅板的焊接结构导致施焊空间非常小，单面焊接会造成根部筒壁处局部较高的焊接残余应力，加之接盘材料为碳当量较高的铸造材料，焊接过程中未进行预热，使环焊缝根部区域应力集中，产生脆变效应。
（2）滚筒体外表面进行深约1.6mm的花纹车削，所以结构厚度的减薄降低了滚筒体的整体强度。
（3）筒体与接盘的焊接结构缺陷以及筒体整体强度的下降，使筒体在交变动载应力作用下，在工作中承受较大的弯矩和扭矩，疲劳裂纹首先在筒体与接盘的焊缝根部应力集中处产生，并以一定的角度沿着焊接热影响区这个最薄弱处发展延伸，直至滚筒一端破坏，同时滚筒另一端会受到影响，出现了悬臂受力状态，导致另一端也很快断裂。最终导致了两侧滚筒断裂的严重事故。
四、结语
经过以上几项分析，在实际生产中，另行按图1补制一滚筒，接盘内置式焊接结构改为铸件与钢板焊接结合结构，减少焊接应力，提高整体强度。现场更换后，经过一年多的使用，运行平稳，没有异常情况出现。在设计选择滚筒结构时，按常规的选型方法确定后，还要充分考虑滚筒的位置及各项受力情况，确保滚筒设计的合理性和可靠性。此文为结合实际经验所提出的一些看法和建议，希望对今后作滚筒的进一步研究提供一点儿依据。
【关键词】皮带机滚筒；开裂分析；接盘与筒体
一、情况介绍
某输煤皮带机的拉紧改向包胶滚筒在运行时发生断裂，滚筒两侧开裂，并形成两个环状裂缝带，造成滚筒失效。本次断裂的滚筒是Φ500胶面改向滚筒，此输煤皮带机处于调试运行阶段，运行时间不到3个月，为找出滚筒开裂原因，对滚筒从设计到生产制作过程进行了全方面分析。
二、滚筒断裂分析
2.1滚筒断裂情况
1）滚筒在筒皮上发生两处断裂，断口基本在一个截面上，形成一个圆环形断裂口，断裂口外观较齐整，断裂口距滚筒端部边缘约110mm。
2）滚筒其环状裂口较整齐，去除滚筒表面胶皮并修磨后，检查发现：两处断裂口位置在接盘的内侧，断裂点基本位于接盘与筒皮角接焊缝接头的根部。从现场开裂状况可以看出，筒皮与拼盘之间角焊缝外观完好，只是筒皮内侧有线状裂纹，破裂筒体上的裂纹起始于筒皮与接盘的角焊缝的热影响区，并由此向筒体的母材延伸。而在现场经过仔细观察，其他部位和零件未发现异常（接盘、轴、胀套、轴承箱等）。
2.2滚筒设计、图纸情况
1）皮带机的主要技术参数为：额定通过能力1600吨/小时；带宽1400mm；带速3.5米/秒；皮带机总长度1300米。对断裂滚筒进行受力分析，其受力T1及T2为90度夹角，经过计算，滚筒所受合力为158KN，按照国标DTII（A）带式输送机设计手册，所选择滚筒所能承受的扭矩能满足使用要求。但此滚筒为拉紧改向滚筒，滚筒围包角比较小，單位面积所承受的压强相对较大，而且皮带边缘正在滚筒环缝处，皮带作用力直接作用在筒体环焊缝处，这个作用力为交变应力，兼之皮带张力又非常大，环焊缝受剪切应力，产生疲劳极限，造成滚筒的开裂。
2）滚筒结构形式见图1，接盘与筒皮采用焊接连接，焊接接头形式为：拼盘单边V型坡口，与筒皮角接连接。
从工艺、质量角度来看，滚筒体设计结构形式不尽合理，拼盘与筒皮的角接焊缝接头，施焊空间较小（约40mm）、操作困难，焊缝质量不易保证，而且焊接产生的应力聚集在焊缝根部，即便热处理退火，也不易消失。而且筒皮外圆有车包胶用高为1.6mm的花纹，结构厚度的严重减薄降低了滚筒体的整体强度。
滚筒筒皮开裂后，经过采用计算机滚筒程序设计进行校核，计算结果显示，滚筒轴、筒皮的材质，轴的直径，筒皮厚度均能达到设计要求，但原结构型式筒皮与接盘根部不易焊透，容易出现夹渣、气孔、裂纹等缺陷，并且焊接应力不易释放，产生应力集中现象。如采用新型式，焊缝为V型或U型坡口，利用现有焊接工艺，可保证焊缝100%合格，滚筒整体退火后，应力去除更彻底。但滚筒结构型式采用图2结构较合理，且接盘厚度宜设计为B=160mm。由于原设计接盘与筒皮环焊缝正处在皮带边缘处，既承受压力，又承受很大的扭矩，受力为交变应力，在皮带的强复合力作用下，焊接应力集中区，反复塑性变形后，易产生裂变。
2.3滚筒制造情况
（1）滚筒生产工艺过程包括以下主要工序：筒皮下料卷制、焊接，筒皮止口加工，筒皮、接盘组对焊接，除应力热处理，焊缝UT探伤，整体机加工镗孔、车外圆，静平衡检测，挂胶，装配轴系零件，包装发运。
（2）筒皮实际厚度检测：现场对筒皮的实际百度进行了测量，筒体的中间部位采用超声波测仪测量，实测厚度为20.96mm（沟槽位置）。筒皮边缘用卡尺测量，实测约20mm。设计图纸中筒皮厚度要求为20mmm。根据GB10595-2009对于筒皮的最小壁厚要求，b1≥b-1（b为筒皮名义厚度，mm），即b1≥19mm，因此，实测筒皮厚度满足图纸要求。
（3）实际制造过程追溯：从制造中收集到滚筒制作过程留下来的相关记录，包括：焊接工艺评定报告、焊缝UT探伤、筒体加工检验记录、除应力处理报告、滚筒装配检验记录等，与设计图纸及相关国标标准对比，各项数据均符合技术要求。在失效的筒体和幅板上取样进行成分分析，对照《中国钢铁材料牌号手册》，筒皮和接盘的化学成分均符合技术要求。从工艺上分析，发现滚筒焊接前会造成根部筒壁处局部较高的焊接残余应力，加之接盘材料为碳当量较高的铸造材料，焊接过程中未进行预热，焊缝根部很易产生残余裂纹。
三、综合分析
（1）滚筒体设计结构不尽合适，筒体与幅板的焊接结构导致施焊空间非常小，单面焊接会造成根部筒壁处局部较高的焊接残余应力，加之接盘材料为碳当量较高的铸造材料，焊接过程中未进行预热，使环焊缝根部区域应力集中，产生脆变效应。
（2）滚筒体外表面进行深约1.6mm的花纹车削，所以结构厚度的减薄降低了滚筒体的整体强度。
（3）筒体与接盘的焊接结构缺陷以及筒体整体强度的下降，使筒体在交变动载应力作用下，在工作中承受较大的弯矩和扭矩，疲劳裂纹首先在筒体与接盘的焊缝根部应力集中处产生，并以一定的角度沿着焊接热影响区这个最薄弱处发展延伸，直至滚筒一端破坏，同时滚筒另一端会受到影响，出现了悬臂受力状态，导致另一端也很快断裂。最终导致了两侧滚筒断裂的严重事故。
四、结语
经过以上几项分析，在实际生产中，另行按图1补制一滚筒，接盘内置式焊接结构改为铸件与钢板焊接结合结构，减少焊接应力，提高整体强度。现场更换后，经过一年多的使用，运行平稳，没有异常情况出现。在设计选择滚筒结构时，按常规的选型方法确定后，还要充分考虑滚筒的位置及各项受力情况，确保滚筒设计的合理性和可靠性。此文为结合实际经验所提出的一些看法和建议，希望对今后作滚筒的进一步研究提供一点儿依据。