带式输送机滚筒焊缝的失效机理研究分析

蒋松桦

（晋能控股煤业集团晋华宫矿，山西 大同 037000）

引言

带式输送机是煤矿生产中进行煤炭输送的主要设备，可以实现高效率、高运量的稳定输送，对煤矿高效生产提供了重要的保障。滚筒作为带式输送机的重要部件，对输送带的运行起到驱动及制动的作用[1]，在使用过程中承受的载荷较大，且易受到输送带的冲击作用。滚筒在生产过程中多采用焊接的形式制成，在长期的使用过程中，存在着焊缝开裂失效的问题，造成滚筒的损坏，影响带式输送机的运行[2]。针对滚筒焊缝失效的机理进行研究，采用MATLAB仿真的形式对影响焊缝失效的因素进行分析[3]，从而可以采取针对性的措施，提高焊缝的质量，以及带式输送机运行的稳定性，保证煤矿开采的稳定高效生产。

1 带式输送机滚筒焊缝开裂失效机理分析

滚筒在生产过程中主要采用焊接的形式进行制作，滚筒结构中的连接位置处均依靠焊接而成，且都是环形焊缝，焊缝存在缺陷时[4]，会引起焊缝及周边产生裂纹，在工作过程中，裂纹受到圆周方向的应力作用会不断地扩展造成焊缝的开裂失效。

引起滚筒焊缝裂纹的因素多样[5]，主要包括焊接过程中工艺参数选取不合适、焊接中出现应力集中、焊接结构中产生较大的残余应力及焊接材料不一致等。引起焊接问题的原因主要是焊接应力集中及残余应力的影响。

滚筒焊接过程中产生的应力集中主要与焊接构件的接头形式、焊缝的外形及焊接缺陷有关，焊接的缺陷造成的影响相对复杂[6]。焊接的应力集中是焊接过程中造成，对其不能进行定性分析，采用应力集中系数的方式对应力集中进行描述[7]，从而定性的分析应力集中的程度，从而对其影响因素进行分析。滚筒焊接应力集中系数与焊接滚筒筒体的厚度、焊趾半径、坡口角度、倒钝厚度等相关[8]，由于坡口角度、倒钝厚度等与焊接加工中的工艺相关性较大，文中仅对筒体板厚、焊趾半径的影响进行分析。

焊接残余应力与焊接过程中产生的较大的温度差有关，滚筒焊缝在焊接过程中受到较大的约束限制其形变量[9]，且温度差较大造成焊缝处的焊接应力值较大，焊接残余应力是必然存在的，当残余应力值大于所焊接材料的抗拉强度时，会造成裂纹的产生[10]。

带式输送机滚筒在工作过程中受到多种载荷的作用，对焊缝的裂纹造成扩展，焊缝的裂纹扩展采用应力强度因子来描述焊缝的开裂状态。影响焊缝裂纹扩展的因素主要包括输送带对滚筒的包角、滚筒直径、滚筒与输送带分离点的张力作用及摩擦系数[11]，滚筒的直径与摩擦系数属于结构设计及材料选取的问题，文中仅对输送带与滚筒的包角及分离点的张力作用影响进行分析。

2 滚筒焊缝失效影响因素分析及控制

2.1 滚筒焊缝裂纹应力集中数值分析及控制

对影响焊缝应力集中的因素进行仿真分析，采用MATLAB分析软件建立滚筒的结构模型，滚筒的直径为780 mm，滚筒的宽度为900 mm[12]，对滚筒的筒体厚度t及焊趾半径r对焊缝应力集中系数的影响进行分析。当焊缝的坡口角度一致时，不同焊趾半径下应力集中系数随筒体厚度的变化如图1所示，不同筒体厚度下应力集中系数随焊趾半径的变化如下页图2所示。

图1 筒体厚度对焊缝应力集中系数的影响曲线

图2 焊趾半径对焊缝应力集中系数的影响曲线

从上页图1、图2中可以看出，在一定的焊趾半径下，随着筒体厚度的增加，焊缝的应力集中系数逐渐增加，筒体的厚度越大，焊缝产生的应力集中系数越大；在筒体厚度一定时，随着焊趾半径的增加，焊缝产生的应力集中系数越小，焊趾半径越小，焊缝产生的应力集中系数越大。在实际进行滚筒的焊接生产时，焊缝的应力集中系数应在1.6～4.0之间，则由上页图1可知对于筒体厚度在30 mm以内焊趾半径应小于3 mm；筒体厚度在30 mm以上焊趾半径应大于1 mm，且优先选用较大的焊趾半径。

对于焊缝裂纹的产生还存在着气孔、夹渣和咬边等焊接的缺陷问题，对于这些问题在焊接过程中要保证坡口的清洁，处理好焊接的接头，在焊接过程中选择合适的焊接电流及焊接速度，并依据焊接筒体的厚度对焊趾半径进行合理的选择，保证焊缝的质量，避免应力集中引起的焊缝裂纹。

2.2 滚筒焊缝裂纹扩展数值分析及控制

对影响焊缝应力强度因子的因素进行仿真分析，采用MATLAB分析软件建立滚筒的结构模型，对输送带对滚筒的张力及包角对焊缝应力强度因子的影响进行分析。当滚筒与输送带的摩擦因数一定时，焊缝应力强度因子随张力作用的变化如图3所示，焊缝应力强度因子随不同包角的变化如图4所示。

图3 张力作用对焊缝应力强度因子的影响曲线

图4 包角对焊缝应力强度因子的影响曲线

从图3、图4中可以看出，随着输送带对滚筒张力作用的增加，滚筒焊缝的应力强度因子呈线性增加的趋势，随着包角的增加，滚筒焊缝的应力强度因子呈指数型增长的趋势，当焊缝存在裂纹时，在输送带张力及包角增大时，会造成裂纹的扩展速率不断增加造成焊缝的开裂失效。对于滚筒作用的输送带张力及包角不能过大，当满足系统的设计需求时，输送带的张力及包角应越小越好，滚筒的包角应控制在4rad以内，从而保证焊缝的使用安全。

滚筒在焊接过程中，焊缝缺陷造成的裂纹是不可避免的，在滚筒的使用过程中，应在设计过程中合理选取输送带对滚筒的张力及包角大小，减小焊缝裂纹的扩展。当产生焊缝的裂纹扩展时，应及时对焊缝进行修复，提高滚筒的使用性能及寿命，保证带式输送机的运行。

3 结语

滚筒是带式输送机的关键部件，对输送带起到支撑及驱动制动的作用，滚筒在使用过程中承受的载荷作用较大，对其焊接生产的要求较高。在滚筒的失效形式中，滚筒焊缝的开裂是造成失效的主要原因。焊缝裂纹的产生主要受到应力集中及残余应力的影响，裂纹的扩展主要受到输送带张力及包角的影响。针对影响焊缝应力集中的因素及影响裂纹扩展的因素进行分析，结果表明，筒体厚度的增加及焊趾半径的减小，造成焊缝的应力集中系数增加；输送带张力及包角增加，造成焊缝的应力强度因子增加。滚筒焊接时，应依据滚筒的结构参数，合理地选择焊趾半径，并在使用过程中，选择较小的张力及包角，从而控制焊缝裂纹的产生与扩展，提高滚筒的质量，保证带式输送机的稳定运行。