李 惠

（國家能源集團神東皮帶機公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200）

1 帶式輸送機滾筒失效模式及原因研究

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

1.1 斷裂現(xiàn)象

作用在滾筒上的輸送帶壓力，特別是處于膠帶機高張力區(qū)的卸載滾筒和傳動滾筒，承載了整機運行過程中的大部分張力，在不間斷的高壓下，滾筒的焊接區(qū)域中因焊縫質(zhì)量差、應力集中、設(shè)計不合理等多種原因，極易產(chǎn)生內(nèi)部冷裂紋，因為滾筒處于持續(xù)的運動狀態(tài)，一旦產(chǎn)生裂紋，隨著機械震動和交變載荷的作用，裂紋就會不斷的發(fā)展擴大，最終導致整體斷裂。主要原因：膠帶機的滾筒是依靠摩擦力來驅(qū)動膠帶運輸物料的，而摩擦力的大小取決于兩個原因，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，為了保證滾筒不會在較大的張緊力作用下產(chǎn)生損壞，就必須將帶式輸送機的結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，通過減少張力來達目的。滾筒的斷裂往往是由于強度不符合實際整機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、焊接過程中存在焊接缺陷造成焊接質(zhì)量不高，也是導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)，在焊接過程中會造成焊接應力，如果焊接后材料的有害的焊接應力沒有得到及時的釋放，裂紋就會在焊接接頭部分快速發(fā)展形成。

1.2 局部形變過大

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，必然導致滾筒在轉(zhuǎn)動過程中變形區(qū)域的轉(zhuǎn)動慣量（因局部材料的質(zhì)心發(fā)生變化，導致質(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動中會導致沖擊載荷的發(fā)生，當沖擊載荷超過軸承可以承受的最大載荷情況下，勢必會導致軸承點蝕、裂紋等損壞情況發(fā)生，最終導致滾筒損壞。

1.3 共振磨損

當滾筒發(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)動過程中發(fā)生震動，當震動頻率與本身材質(zhì)的頻率相近時，會引發(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，會發(fā)生其他部件的共振，也會導致整機其他部件的加速損壞[3]。

1.4 滾筒軸的疲勞破壞

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

2 高分子復合材料的性能優(yōu)勢

高分子復合材料的性能優(yōu)勢。1）高分子復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，具有強度高、重量輕等特點，還便于運輸和施工。2）高分子復合材料具有較好的防火性能，特別適用于在礦井中使用。防火性能強氧指數(shù)是防火產(chǎn)品的關(guān)鍵試驗方法，是指耐火制品在最大氧氣條件下的耐火性，高分子復合材料具有非常優(yōu)良的強氧指數(shù)。3）高分子復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的特殊使用環(huán)境中，對于濕潤、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)實際的使用工況要求對材料進行適當?shù)恼{(diào)整。5）使用范圍廣泛，可在-50 ℃～130 ℃ 使用。

3 帶式輸送機滾筒使用過程中的常見問題

3.1 滾筒的使用壽命極短

膠帶機滾筒通常包括液壓滾筒、換向滾筒、測速滾筒、張力滾筒等多種型號規(guī)格，同時，隨著技術(shù)的進步，較短的膠帶機為了進行改良，節(jié)約安裝空間，還逐漸配置了減速滾筒和驅(qū)動減速一體化滾筒等，因此滾筒從以往的單純的改變膠帶方向、承載物料、傳遞膠帶機的傳動力，還逐漸變?yōu)橹匾尿?qū)動組成部分。隨著滾筒的結(jié)構(gòu)形式和作用的進一步提升，其在膠帶機中承擔的作用也進一步上升，在整機中擔任的角色越來越重要，承受的各種載荷也越發(fā)復雜，平均計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

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

綜上所述，替換一個滾筒的費用從2.5萬元～5萬元不等。如果再加之無法正常投產(chǎn)導致的經(jīng)濟損失，成本會更高?？朔@一問題的最好的辦法莫過于提高滾筒的性能，保證滾筒長時間的正常工作狀態(tài)，減少維護保養(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)計和使用中，使其工作性能、穩(wěn)定性和壽命得到進一步的提升，成為保證膠帶機正常運轉(zhuǎn)的一種新的思路，以下將對高分子復合材料在帶式輸送機滾筒上的應用進行具體分析。

4 高分子復合材料方案及實施

用高分子復合材料作為滾筒的包覆材料，可以應對膠帶機使用在井下和港口時所要面對的比較苛刻的工況環(huán)境，通過高分子材料的具體使用及膠帶機的配套使用情況，對其進行跟蹤記錄，同時結(jié)合對比以往的普通包膠滾筒使用運行情況，將二者做詳細比較，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合材料具備4個方面的優(yōu)點：首。1）材料可以在承受較大的張力的過程中產(chǎn)生彈性變形，吸收較大的張力，確保筒體金屬結(jié)構(gòu)不會因為張力過大而產(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說，在更長時間的使用過程中，能夠一直保持滾筒的力學性能不會因金屬腐蝕而產(chǎn)生較大的影響。3）高分子復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)的傳動效率，在膠帶機所需要的總體驅(qū)動力不變的情況下，可以減少皮帶的張力，也可以滿足需求；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]。

除了在筒體上進行高分子復合材料包膠以外，還可以對筒體的結(jié)構(gòu)進行改良。從滾筒的靜力學分析中可以知道，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

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

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，兼顧納米級補強材料，輔以促進劑、抗氧劑、阻燃劑等助劑，按比例和工藝順序化學反應制取上述材料，為了達最佳性能，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，該方法制取的高分子復合材料具備下列特點。1） 材料表面堅硬但同時能夠達到較高的韌性、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度很高，其斷裂強度提升2倍以上。4） 聚氨酯彈性體在常溫之下可吸取10%～30%的振動能量。5） 具備良好的自清潔、自潤滑性能，以保證表面不會黏接其他過多的附著物，避免打滑，也保證不損毀膠帶。一般橡膠材料與高分子復合材料性能試驗對比見表1。

表1 普通橡膠材料與高分子復合材料性能

5 實際結(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，依然能夠看見加工刀具線。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，進而不損毀膠帶。耐磨性顯著高于天然橡膠，能達到預期的使用壽命和耐磨性。

圖1 筒體結(jié)構(gòu)剛性支承環(huán)

鑒于此項技術(shù)的優(yōu)勢，該公司在實踐檢驗和多年經(jīng)驗累積的基礎(chǔ)之上，根據(jù)膠帶機對于滾筒的具體使用要求和替換難度，在不便維修、對滾筒的性能和壽命及運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，不僅可降低滾筒的更換次數(shù)，而且大大降低了維護成本和停機時間，效益明顯，具體見表2。

6 結(jié)論

高分子復合材料在帶式輸送機滾筒上的應用，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)備維護成本，值得大力推廣。

圖2 滾筒機示意圖

表2 各類經(jīng)濟效益