李 惠

（國(guó)家能源集團(tuán)神東皮帶機(jī)公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200）

1 帶式輸送機(jī)滾筒失效模式及原因研究

在實(shí)際使用過(guò)程中，作為膠帶機(jī)主要的傳動(dòng)和承載部件的滾筒，因結(jié)構(gòu)和受力狀況的影響經(jīng)常發(fā)生故障損壞[1]。下列是一些常見(jiàn)的滾筒故障實(shí)例，并對(duì)其失效形式和原因展開(kāi)了分析。

1.1 斷裂現(xiàn)象

作用在滾筒上的輸送帶壓力，特別是處于膠帶機(jī)高張力區(qū)的卸載滾筒和傳動(dòng)滾筒，承載了整機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的大部分張力，在不間斷的高壓下，滾筒的焊接區(qū)域中因焊縫質(zhì)量差、應(yīng)力集中、設(shè)計(jì)不合理等多種原因，極易產(chǎn)生內(nèi)部冷裂紋，因?yàn)闈L筒處于持續(xù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一旦產(chǎn)生裂紋，隨著機(jī)械震動(dòng)和交變載荷的作用，裂紋就會(huì)不斷的發(fā)展擴(kuò)大，最終導(dǎo)致整體斷裂。主要原因：膠帶機(jī)的滾筒是依靠摩擦力來(lái)驅(qū)動(dòng)膠帶運(yùn)輸物料的，而摩擦力的大小取決于兩個(gè)原因，那就是兩接觸物體之間的摩擦阻力系數(shù)和2物體之間的正壓力的大小，因此為了實(shí)現(xiàn)功率傳遞的可能，較大的張緊力才能保證較大的正壓力，確保輸送過(guò)程中不產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。隨著皮帶張緊力的增大，為了保證滾筒不會(huì)在較大的張緊力作用下產(chǎn)生損壞，就必須將帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，通過(guò)減少?gòu)埩?lái)達(dá)目的。滾筒的斷裂往往是由于強(qiáng)度不符合實(shí)際整機(jī)的張力要求或采用鋼板材料的質(zhì)量和厚度與整體的受力情況不匹配導(dǎo)致的[2]。鋼板焊接工藝與材質(zhì)和焊縫結(jié)構(gòu)不配套、焊接過(guò)程中存在焊接缺陷造成焊接質(zhì)量不高，也是導(dǎo)致故障的主要原因之一；滾筒的結(jié)構(gòu)與焊接緊密有關(guān)，在焊接過(guò)程中會(huì)造成焊接應(yīng)力，如果焊接后材料的有害的焊接應(yīng)力沒(méi)有得到及時(shí)的釋放，裂紋就會(huì)在焊接接頭部分快速發(fā)展形成。

1.2 局部形變過(guò)大

筒體在受到合張力的作用下，最終產(chǎn)生了塑性變形，局部筒體向外凸起或者凹陷，必然導(dǎo)致滾筒在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中變形區(qū)域的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（因局部材料的質(zhì)心發(fā)生變化，導(dǎo)致質(zhì)心到軸心的距離變化）發(fā)生變化，這種變化在滾筒的高速運(yùn)動(dòng)中會(huì)導(dǎo)致沖擊載荷的發(fā)生，當(dāng)沖擊載荷超過(guò)軸承可以承受的最大載荷情況下，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致軸承點(diǎn)蝕、裂紋等損壞情況發(fā)生，最終導(dǎo)致滾筒損壞。

1.3 共振磨損

當(dāng)滾筒發(fā)生局部的塑性變形，沖擊載荷隨著滾筒的高速旋轉(zhuǎn)而周期性的發(fā)生，讓滾筒在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生震動(dòng)，當(dāng)震動(dòng)頻率與本身材質(zhì)的頻率相近時(shí)，會(huì)引發(fā)極大的共振，造成共振體的加速損壞，如果共振頻率與滾筒的其他連接部件相近時(shí)，會(huì)發(fā)生其他部件的共振，也會(huì)導(dǎo)致整機(jī)其他部件的加速損壞[3]。

1.4 滾筒軸的疲勞破壞

滾筒軸在實(shí)際使用過(guò)程中，不僅要承受滾筒筒體傳遞而來(lái)的合張力，同時(shí)還要承受因膠帶跑偏帶來(lái)的與軸線(xiàn)呈法向的扭轉(zhuǎn)力、皮帶承載物料過(guò)程中對(duì)滾筒的沖擊力，而傳動(dòng)滾筒同時(shí)要承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，如果滾筒因發(fā)生塑性變形，則同時(shí)要承受因轉(zhuǎn)動(dòng)慣量發(fā)生變化而產(chǎn)生的交變載荷的沖擊應(yīng)力。因此，滾筒軸在實(shí)際工作過(guò)程中承受了多種、復(fù)雜的應(yīng)力，如果在滾筒軸的設(shè)計(jì)過(guò)程中，其軸徑變化的過(guò)度部分和結(jié)構(gòu)中存在不合理的地方就很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在長(zhǎng)期交變應(yīng)力作用下逐漸發(fā)生微裂紋，最終裂紋由微觀向宏觀擴(kuò)展，進(jìn)而使軸截面的性能不斷變差，導(dǎo)致滾筒軸的損壞。

2 高分子復(fù)合材料的性能優(yōu)勢(shì)

高分子復(fù)合材料的性能優(yōu)勢(shì)。1）高分子復(fù)合材料是一種新型材料，它在原有材料的基礎(chǔ)上增加新的元素，使原材料性能發(fā)生改變，具有強(qiáng)度高、重量輕等特點(diǎn)，還便于運(yùn)輸和施工。2）高分子復(fù)合材料具有較好的防火性能，特別適用于在礦井中使用。防火性能強(qiáng)氧指數(shù)是防火產(chǎn)品的關(guān)鍵試驗(yàn)方法，是指耐火制品在最大氧氣條件下的耐火性，高分子復(fù)合材料具有非常優(yōu)良的強(qiáng)氧指數(shù)。3）高分子復(fù)合材料相比金屬材料具備非常優(yōu)異的耐腐蝕性，特別是在煤礦和港口等膠帶機(jī)的特殊使用環(huán)境中，對(duì)于濕潤(rùn)、鹽霧、酸和弱堿環(huán)境都具備較好的耐腐蝕性。4）絕緣性能優(yōu)良，可根據(jù)實(shí)際的使用工況要求對(duì)材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。5）使用范圍廣泛，可在-50 ℃～130 ℃ 使用。

3 帶式輸送機(jī)滾筒使用過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題

3.1 滾筒的使用壽命極短

膠帶機(jī)滾筒通常包括液壓滾筒、換向滾筒、測(cè)速滾筒、張力滾筒等多種型號(hào)規(guī)格，同時(shí)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，較短的膠帶機(jī)為了進(jìn)行改良，節(jié)約安裝空間，還逐漸配置了減速滾筒和驅(qū)動(dòng)減速一體化滾筒等，因此滾筒從以往的單純的改變膠帶方向、承載物料、傳遞膠帶機(jī)的傳動(dòng)力，還逐漸變?yōu)橹匾尿?qū)動(dòng)組成部分。隨著滾筒的結(jié)構(gòu)形式和作用的進(jìn)一步提升，其在膠帶機(jī)中承擔(dān)的作用也進(jìn)一步上升，在整機(jī)中擔(dān)任的角色越來(lái)越重要，承受的各種載荷也越發(fā)復(fù)雜，平均計(jì)算滾筒的使用壽命通常為1.5年～2年。

3.2 維修更換成本高

滾筒的日常維護(hù)保養(yǎng)及更換費(fèi)用是很高的，正常來(lái)說(shuō)每工作12 h，就需要對(duì)滾筒狀況進(jìn)行檢查，對(duì)需要更換潤(rùn)滑脂的部位進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。每半年需要對(duì)滾筒的膠面進(jìn)行檢查，如果存在膠面壞損的需要進(jìn)行重包覆處理。如果滾筒發(fā)生了損壞，整機(jī)不僅需要停機(jī)，還需要清理帶面上的物料才能對(duì)滾筒進(jìn)行更換，如果是意外損壞，有可能導(dǎo)致帶面、機(jī)架、張緊、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等的損壞，則損失金額更加巨大。

綜上所述，替換一個(gè)滾筒的費(fèi)用從2.5萬(wàn)元～5萬(wàn)元不等。如果再加之無(wú)法正常投產(chǎn)導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，成本會(huì)更高?？朔@一問(wèn)題的最好的辦法莫過(guò)于提高滾筒的性能，保證滾筒長(zhǎng)時(shí)間的正常工作狀態(tài)，減少維護(hù)保養(yǎng)和更換的次數(shù)。因此，采用新型材料加入常規(guī)滾筒的設(shè)計(jì)和使用中，使其工作性能、穩(wěn)定性和壽命得到進(jìn)一步的提升，成為保證膠帶機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一種新的思路，以下將對(duì)高分子復(fù)合材料在帶式輸送機(jī)滾筒上的應(yīng)用進(jìn)行具體分析。

4 高分子復(fù)合材料方案及實(shí)施

用高分子復(fù)合材料作為滾筒的包覆材料，可以應(yīng)對(duì)膠帶機(jī)使用在井下和港口時(shí)所要面對(duì)的比較苛刻的工況環(huán)境，通過(guò)高分子材料的具體使用及膠帶機(jī)的配套使用情況，對(duì)其進(jìn)行跟蹤記錄，同時(shí)結(jié)合對(duì)比以往的普通包膠滾筒使用運(yùn)行情況，將二者做詳細(xì)比較，形成以下分析內(nèi)容。

4.1 筒體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在筒體上使用高分子復(fù)合材料具備4個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：首。1）材料可以在承受較大的張力的過(guò)程中產(chǎn)生彈性變形，吸收較大的張力，確保筒體金屬結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)閺埩^(guò)大而產(chǎn)生塑性變形。2）材料的耐腐蝕性能相比以往的金屬滾筒來(lái)說(shuō)，在更長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中，能夠一直保持滾筒的力學(xué)性能不會(huì)因金屬腐蝕而產(chǎn)生較大的影響。3）高分子復(fù)合材料與膠帶之間的摩擦阻力系數(shù)較好，有效地提高了系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，在膠帶機(jī)所需要的總體驅(qū)動(dòng)力不變的情況下，可以減少皮帶的張力，也可以滿(mǎn)足需求；4）材料的耐磨性也使?jié)L筒整體的使用壽命有了明顯的提升[4]。

除了在筒體上進(jìn)行高分子復(fù)合材料包膠以外，還可以對(duì)筒體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良。從滾筒的靜力學(xué)分析中可以知道，滾筒承受的張力使筒體的中間區(qū)域受到的相對(duì)于軸兩端的支撐位置的扭轉(zhuǎn)力矩最大，在筒體表面所受張力均勻分布的情況下，中間部位受到扭轉(zhuǎn)力矩而產(chǎn)生變形的可能性最大。因此，在筒體內(nèi)增加剛性支承環(huán)，提升筒體整體剛度，可以進(jìn)一步提高筒體的承載能力，如圖1所示（單位：cm）。

4.2 工藝及冷處理工藝改進(jìn)

處理過(guò)程有4個(gè)。1）滾筒外殼、輪轂使用單面焊雙面成形工藝，焊后各部位均展開(kāi)超聲波探傷。2） 筒體外皮組焊后要進(jìn)行燜火處理，以此徹底消除應(yīng)力。3） 裝配后，用動(dòng)平衡機(jī)進(jìn)行校正，以確滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平衡，運(yùn)行過(guò)程中的沖擊載荷降低到最低限度，確保運(yùn)行穩(wěn)定，從而增加使用壽命。4） 在最終滾筒進(jìn)行包膠之前，對(duì)筒體表面噴丸和噴砂處置，這樣做有3個(gè)好處，首先是去除了金屬表面的氧化層，提升耐氧化性；其次是表面達(dá)到了硬化的作用，提高筒體的整體力學(xué)性能；最后，膠板的黏合強(qiáng)度得到提高。

4.3 滾筒膠面制作工藝

滾筒金屬表面經(jīng)處置之后，以大分子交聯(lián)物為基體，兼顧納米級(jí)補(bǔ)強(qiáng)材料，輔以促進(jìn)劑、抗氧劑、阻燃劑等助劑，按比例和工藝順序化學(xué)反應(yīng)制取上述材料，為了達(dá)最佳性能，在分子結(jié)構(gòu)之中添加耐磨組和體現(xiàn)韌性的柔性組。與傳統(tǒng)的熱硫化包裝成型工藝相對(duì)，該方法制取的高分子復(fù)合材料具備下列特點(diǎn)。1） 材料表面堅(jiān)硬但同時(shí)能夠達(dá)到較高的韌性、摩擦系數(shù)顯著改善。2） 聚氨酯和納米材料結(jié)合制備，具備出色的耐磨性。3） 聚氨酯彈性體的撕裂強(qiáng)度很高，其斷裂強(qiáng)度提升2倍以上。4） 聚氨酯彈性體在常溫之下可吸取10%～30%的振動(dòng)能量。5） 具備良好的自清潔、自潤(rùn)滑性能，以保證表面不會(huì)黏接其他過(guò)多的附著物，避免打滑，也保證不損毀膠帶。一般橡膠材料與高分子復(fù)合材料性能試驗(yàn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 普通橡膠材料與高分子復(fù)合材料性能

5 實(shí)際結(jié)果及效益分析

滾筒使用一年之后的磨損情況如圖2所示，依然能夠看見(jiàn)加工刀具線(xiàn)。由于具備自清潔性能，所以不受原料的干濕程度影響，表面不黏附物料，進(jìn)而不損毀膠帶。耐磨性顯著高于天然橡膠，能達(dá)到預(yù)期的使用壽命和耐磨性。

圖1 筒體結(jié)構(gòu)剛性支承環(huán)

鑒于此項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，該公司在實(shí)踐檢驗(yàn)和多年經(jīng)驗(yàn)累積的基礎(chǔ)之上，根據(jù)膠帶機(jī)對(duì)于滾筒的具體使用要求和替換難度，在不便維修、對(duì)滾筒的性能和壽命及運(yùn)行狀況要求較高的部位使用新型高分子材料包膠滾筒。經(jīng)試驗(yàn)，不僅可降低滾筒的更換次數(shù)，而且大大降低了維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間，效益明顯，具體見(jiàn)表2。

6 結(jié)論

高分子復(fù)合材料在帶式輸送機(jī)滾筒上的應(yīng)用，大大提高了滾筒的使用壽命，提升了設(shè)備的穩(wěn)定性和工作效率，間接減少了設(shè)備維護(hù)成本，值得大力推廣。

圖2 滾筒機(jī)示意圖

表2 各類(lèi)經(jīng)濟(jì)效益