港口皮带输送机滚筒故障分析及处理措施

郑始才

【摘 要】改向滚筒是港口皮带输送机的重要组成部分，其在运行过程中容易出现断裂的现象，影响到港口码头的正常运作。本文通过介绍皮带输送机滚筒的结构设计及受力情况，探讨了皮带输送机滚筒故障的处理措施，并阐述了滚筒部位的施工工艺技术，以期指导实践。

【关键词】皮带输送机；滚筒故障；受力分析；工艺技术

由于皮带输送机受作业环境条件差、输送负荷大等因素的印象，在运行过程中时常会出现一些故障，主要包括皮带跑偏、滚筒断裂和撒料现象等，其中滚筒断裂故障是皮带输送机运行中最为常见的故障隐患。若操作人员不及时采取必要地处理措施，不仅会给港口码头的日常运作带来一定的安全隐患，而且滚筒的断裂很可能造成撕扯皮带的恶性事故，导致重大的经济损失。因此，如何有效解决滚筒断裂故障就港口操作人员亟待解决的难题之一。

1.滚筒的结构

许多港口改向滚筒设计的图纸均采用铸焊结构，即接盘为ZG25～35整体铸钢，筒皮用Q345钢板卷制，轴为40Cr，见图1。

图1滚筒的铸焊结构

2.滚筒的受力分析

传动滚筒受力为：皮带机的张力产生的压力f0，摩擦力Ff以及主动力矩Mp。改向滚筒受力为：皮带张紧力f0，摩擦力Ff。两种滚筒相比，传动滚筒比改向滚筒多一个主动力矩。但改向滚筒由于张紧形式不同，承受的皮带张力有时会更大。实践证明，改向滚筒的断裂几率比传动滚筒还要高。

实践表明，长期在交变应力作用下工作的滚筒，虽然其最大工作应力远低于材料在静载荷下的极限应力，但却会出现突然断裂事故，而且是在没有明显塑性变形情况下发生脆性断裂，也就是疲劳破坏。疲劳破坏的过程并不在滚筒应力最大处，而是在材料的缺陷处。轴的断裂在轴承台附近的突变和应力集中处，而筒皮则在焊口处。焊口在焊接过程中由于高温有碳化点小洞，形成了先天的应力集中点。在经过应力多次交替变化后，首先产生细微裂纹，也就是疲劳元。这种裂纹随着应力循环次数的增多而逐渐扩展，裂纹两端的材料时分时合，并互相研磨，形成断面的光滑区域。随着裂纹的不断扩展，焊口处的有效面积不断减小，以至于突然断裂，造成严重后果。

3.提高滚筒的刚度和强度的措施

滚筒在交变应力的作用下，反复拉伸压缩，由于不断地塑性变形，焊口在冷作硬化和应力集中的状态下最终导致断裂。为了防止焊口处的塑性变形，要提高整个滚筒的刚度和强度。

图2加固后的筒体

提高滚筒的强度，根据正应力强度条件可知，梁的截面抗弯能力取决于抗弯截面模量，而梁在任一指定截面处的位移则与全梁的变形大小有关。因此为了提高梁的刚度，必须使全梁的变形减小，因而应增大全梁或较大部分梁的截面惯性矩才能达到目的。根据正应力公式：

σmax=（Mmaxymax）/Iz，挠度公式fmax=（5ql4）/（384EIz）可知当Iz越大时滚筒的刚度、强度越提高，见图2。

根据滚筒有限元计算进行优化设计。当筒壁变薄时，筒壁变形明显增加，导致焊缝处应力集中加大，在滚筒内壁焊径向加强环，并沿轴向焊加强筋。有限元计算结果显示，减小滚筒变形效果是很明显的，从0.273mm降低到0.219mm，应力云图中的数值由42MPa降至30MPa。焊缝的应力集中明显减小，说明不用加厚筒皮，也能提高滚筒整体的刚度和强度。

通过对焊接加强筋的滚筒进行有限元分析，滚筒变形明显减小，焊缝处应力集中明显减小，基本上达到优化筒内壁厚度的目的，使滚筒变得更加轻巧，又不影响滚筒的实际强度。目前，重型滚筒采用了这种加强措施。如果单纯加厚筒皮，不仅加大了材料的浪费，也提高了造价和滚筒本身的重量。笔者认为，滚筒损坏也是一项系统工程，要综合考虑。首先，滚筒要有足够的刚性，以抵抗交变应力产生的疲劳损害，还要在提高刚性加固滚筒的同时，改变一下滚筒的结构。

4.改进支撑点

皮带张紧力作用在滚筒上，可简化成均布载荷的梁，由正应力强度条件可知，要提高梁的强度，应该减少梁的最大弯矩。当载荷一定时，梁的最大弯矩值的大小，与梁跨度的长短有关故减小支点的距离，可以有效降低最大弯矩值。如长度为L并受集度为q的均布载荷作用的简支梁，其最大弯矩为0.125qL2，如果将两支座向里移动0.2L，则最大弯矩降为0.025qL2即原来的1/5。

fmax=（5ql4）/（384EIz） Mmax=0.125qL2

两端外伸梁改进支撑的位置，不仅提高了梁的强度，同时也提高了梁的刚性。梁的转角和挠度与梁的跨度的n次幂成正比。跨度减小时，转角和挠度就会有更大程度的减小。例如上图9均布载荷作用下的简支梁fmax=（5ql4）/（384EIz），其最大挠度与跨度的四次方成正比。当跨度减小为原跨度的1/2时，最大挠度将减小为原挠度的1/16，两端采用外伸梁结构即减小了跨度，而且外伸端与两支座间向下的载荷，将分别使轴线上每一点产生相反方向的挠度，从而相互抵销一部分挠度，也就提高了梁的刚度。

5.滚筒的加工工艺

由于滚筒变形与皮带受力不均有关，焊缝出现应力集中，显然在滚筒材料强度要求范围内。但如果焊缝不过关，存在着很大的残余焊接应力，将可能使焊缝产生压裂现象。所以，滚筒制造要符合较为严格的加工技术条件，并要求严格的焊缝质量，注意焊接工艺和去应力步骤，同时还要兼顾滚筒的造价和加工周期。只有在全面综合考虑的情况下，才会有事半功倍的效果。

由于焊接处存在着残余应力或焊口的金属内部组织存在缺陷，经过交变应力作用出现疲劳裂纹，逐渐发展到开裂。增加加强筋，改变支撑点等具有理论依据，但焊接也要有好的工艺措施。

目前，传统制作滚筒存在着工艺线路反复，路线长，制作费用高，容易断裂等问题。传统工艺路线是：铸造接盘→卷制并焊接成筒皮→粗加工接盘里孔和坡口→用镗床镗筒皮坡口→接盘和筒皮组装焊接→筒体高温回火→筒体在镗床上精加工接盘两内孔→胀套组装轴和筒体→以轴定心精加工筒体外圆→滚筒粘胶。

在传统工艺路线中，筒体整体高温回火的主要原因在于传统接焊方法是手工焊或埋弧自动焊。这两种方法存在着因焊接电流大，产生热量大，热影响压力大所造成的焊缝金相组织变粗，机械性能下降，热应力大，工作变形大的弊端。为了消除以上弊端，焊后要求高温回火，以改善金相组织，消除热应力，提高机械性能。同时，造价也要高些。但如果采用CO2气体保护焊接，可改善上述症候。由于CO2气体保护焊具有热量集中、线能量低而熔深大的特点，所以热影响区窄，焊接应力小，变形小。

重新确定加工工艺：

铸造接盘→卷制并焊接成筒皮→精加工接盘里孔，粗加工接盘外圆按图纸留2mm余量及坡口，用假轴定心粗加工筒皮长度各100mm→粗加工筒皮外圆及坡口，筒皮与接盘外圆一致→在平台上用两个V型铁组装滚筒→焊接→退火→精加工，如图3。

图3滚筒组装工艺图

用两块专用V型铁放在平台上，两块V型铁是在龙门刨上一同加工出来的，底面与V型面高度一致相互平行，将接盘、筒皮、轴用胀圈同时组装。接盘与筒皮外径尺寸一致，接盘内孔又与接盘外径同心（同一刀车成），将轴和两端接盘、筒皮加工成同一尺寸的地方放在两个V型铁上，胀圈具有自动定心功能，使两个接盘与轴同心地胀在一起。同时，接盘与筒皮又在同一V型铁上，接盘与筒皮自动同心，径向不用调整，只将接盘与筒皮坡口处间隙调整为2mm即可，然后用手工CO2保护焊接。25%CO2+75%Ar对称点焊，间隔400mm，点焊长度40mm。

6.结语

港口皮带输送机滚筒故障具有较大的危害性，如何有效解决此类故障对确保港口码头的正常运作具有重要影响。本文通过探讨港口皮带输送机滚筒故障的原因及措施，经过实践证明是可行、合理、可靠和实用的，不仅能够有效提高滚筒的强度和刚度，而且也保证了滚筒质量及使用寿命，为类似故障的处理提供了科学的指导意义。

参考文献：

[1] 张竞.基于皮带机滚筒脱胶的问题分析研究[J].城市建设理论研究.2011年第15期

[2] 余子实.煤矿滚筒式皮带输送机常见事故的防护措施探讨[J].企业与经济.2012年第11期