学文网摘要：在各类生产过程中，皮带机的改向滚筒会时常的发生断裂的情况，影响到整个生产的进行，并浪费了大量的人力和物力，所以这个问题必须要得到解决。本文分析了皮带机的铸焊结构滚筒发生断裂的原因及其具体的受力情况等，提出了一些提高滚筒刚度和强度，以及改进滚筒制作工艺的有效措施，延长滚筒的使用寿命。
关键词：皮带机；铸焊结构；滚筒；断裂；制作改进。
Abstract: in the production process, to the drum breaks often situation changed belt machine, affects the entire production, and waste a lot of manpower and material resources, so the problem must be solved. This paper analyzes the causes of belt machine welding structure of drum rupture and its specific stress conditions, and puts forward some improving roller stiffness and strength, as well as the effective measures to improve the drum of the production process, prolong the service life of the roller.
Keywords: belt conveyer; cast welding structure; roller; fracture; making and improvement.
中***分类号：TH2文件标识码：A
我们知道，改向滚筒是一个皮带机运行过程当中的主要部件，但是改向滚筒在运行的过程中筒体突然发生断裂的情况时有发生。尤其是在各个港口的设备当中，需要更换滚筒的费用往往要占到全部维修资金的很大一部分。一般情况下，中等的改向滚筒的价值在 6 万块钱左右，其中只耐磨的橡胶就占到了 1.5 万。那么，一个新的滚筒在胶还没有过多的磨损的情况下，往往滚筒就已经断裂了，因此这样不仅会使上万元的胶层白白的浪费掉，滚筒的本身也会就只剩下一根轴，而像筒皮、接盘等部件基本上都是已经报废了。而且往往更换一个大的滚筒，需要用两台吊车来进行配合，而且还要停产，这样会浪费很多的人力和物力，而且还给生产带来了很大的隐患。
皮带机改向滚筒的结构
目前情况下，在港口所使用的改向滚筒，无论是从日本进口还是国内各个厂家所设计的***纸来看，都是采用铸焊的结构的，也就是说接盘是ZG25—35的整体的铸钢，而筒皮则是用Q345的钢板来卷制的，轴是40Cr，如***1.1所示。
***1.1 皮带机的滚筒铸焊结构示意***
滚筒的受力分析
我们知道，传统的滚筒的受力是这样的：其皮带机的张力所产生的压力为f0，摩擦力 Ff和主动力矩Mp。而改向的滚筒主要的受力是：皮带的张紧力 f0，摩擦力Ff，如***2.1所示。
这样两种滚筒来比较的话，传动的滚筒比现在的改向滚筒要多一个主动力矩。但是改向的滚筒则由于张紧的形式与传统的滚筒是不同的，因此所承受的皮带张力有的时侯会更大一些。很多实践也都证明了，改向的滚筒的断裂的几率要比传动的滚筒高一些。
***2.1 滚筒的受力***
那么，改向滚筒在很大的皮带张力的作用下所产生的巨大压力下，也会产生塑性的变形，我们参考《滚筒的有限元计算分析》这本书，就可以从滚筒的应力分布的云***以及位移的分布云***里面看出：
1、改向滚筒的应力主要是集中在轴承和接盘之间的各个轴段之上的，而最大的等效应力是在轴和轴承所接触的内侧凸肩处的。因此对于轴来说，改向的滚筒可以简化成以轴承位作为支点的一个简支梁，如***2.2和***2.3所示。
***2.2 滚筒轴为简支梁的应力***
***2.3 轴的危险截面
一般情况下，轴突变的应力主要是集中在a-a断面的，但是很多的实践都证明，滚筒的轴是由于采用了40 Cr的调质，而比较粗的直径a-a处是有很大的圆弧来过渡到R20以上的，但是在现场的轴上确实是有在a-a面的轴发生断裂的现象。
2、但是相对于筒体的情况来说，改向的滚筒也可以简化到以接盘为支点的简支梁的，如***2.4和2.5所示。焊口和边缘是最为薄弱的点，而且还是应力最为集中的点。b-b截面也是一个危险的界面。滚筒往往在运行的过程中虽然表面的载荷是不随时间而改变的，但是由于滚筒的本身是在旋转的，所以方向和位置也会随时间做交替的变化，所以滚筒在运行的时侯载荷会出现随时间而交替变化所产生的一些应力。
***2.4 筒体为简支梁的应力示意***
***2.5 简体的危险截面示意***
很多的实践也都表明了，在长期的交变应力的作用之下所工作的滚筒，就算它的最大的工作应力是远低于材料在静载荷下的极限应力的，但是也会出现突然断裂的情况，而且还是在并没有明显的塑性变形的情况下所发生的脆性的断裂，也就是我们常说的疲劳破坏。那么，疲劳破坏的很多过程并不是在滚筒应力最大的地方，而是在其材料有缺陷的地方。而且轴的断裂也是在轴承台的附近应力突变比较集中的地方，而筒皮则是在焊口的地方。
怎样提高滚筒的刚度和强度
一般情况下，滚筒在交变应力的各个作用之下，进行反复的拉伸和压缩，而且由于不断地塑性的变形，焊口会在硬化以及应力集中的状态下最终就导致断裂了。那么，为了防止焊口处的各种塑性的变形，就要提高整个滚筒的刚度以及强度。而且提高滚筒的强度时，应该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：
当 Iz越大时滚筒的刚度、强度越提高，如***3.1所示。
***3.1 加固后的筒体结构
我们根据滚筒的有限元计算来进行优化的设计。而当筒壁变薄的时侯，筒壁的变形就会明显的增加，这样就导致焊缝处的应力集中的加大，在滚筒里面的壁焊径会向加强环，而且沿轴向的焊加强筋。根据有限元的计算结果来说，减小滚筒的变形效果是非常明显的，可以从0.273毫米直接降低到0.219毫米，而从应力的云***中的数值则是由42MPa降到了30MPa。而且焊缝的应力集中也明显的减小了，这就说明不用加厚的筒皮，还是可以提高滚筒整体的刚度以及强度。另外，还是通过对焊接加强筋的滚筒进行的有限元分析表明，滚筒的变形是明显的减小了，而焊缝处的应力集中也明显的减小，都基本上达到优化筒内壁厚度的目标了，而且还使滚筒变得更加的轻巧了，同时还不影响滚筒的实际强度。
滚筒的加工工艺
我们知道，滚筒的变形和皮带受力不均是有很大的关系的，焊缝出现的应力集中情况，也显然是在滚筒的材料强度要求的范围之内的。但是如果焊缝不过关，那么就会存在着很大的残余焊接的应力，这也可能使焊缝产生很大的压裂的现象。因此，滚筒的制造必须要符合非常严格的加工技术条件才行，而且还要求严格的焊缝的质量，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，且 CO2气体保护焊属多层多道焊接，后一道焊接可对前一道焊缝起退火作用，焊接应力大大缩小。
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***纸留2 mm余量及坡口，用假轴定心粗加工筒皮长度各 100 mm—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。
结束语
综上所述，在加工滚筒过程中，要选择最优化的工艺，抓住滚筒使用中，最重要的环节。许多设计单位在设计***纸的技术要求中，强调滚筒的静平衡。
参考文献
[1] 俞尚知主编.焊接工艺人员手册[M].上海科学技术出版社，1991：199.
[2] 机械工业出版社.机械设计手册[M]第一册第六篇：6-123.
[3] 陈清华.带式输送机传动滚筒的有限元分析及其优化设计[J].煤矿机械.2004年.(1)：12-14.
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