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)
在實(shí)際使用過程中,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]。下列是一些常見的滾筒故障實(shí)例,并對(duì)其失效形式和原因展開了分析。
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,通過減少張力來達(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。
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。
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]。
滾筒軸在實(shí)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(shí)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(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(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。
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。
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。
滾筒的日常維護(hù)保養(yǎng)及更換費(fèi)用是很高的,正常來說每工作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2.5萬元~5萬元不等。如果再加之無法正常投產(chǎn)導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失,成本會(huì)更高。克服這一問題的最好的辦法莫過于提高滾筒的性能,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。
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。
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^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(zhǎng)時(shí)間的使用過程中,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)。
處理過程有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。
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)比見表1。
表1 普通橡膠材料與高分子復(fù)合材料性能
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(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,具體見表2。
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 各類經(jīng)濟(jì)效益