小直徑改向滾筒筒皮改用無縫鋼管的可行性研究

周華榮，王榮泉，黨 靜

(1.陜西陜煤韓城礦業有限公司 生產服務中心，陜西 韓城 715400；2.西安重裝韓城煤礦機械有限公司，陜西 韓城 715400)

“開源節流，節支降耗”是企業提高經濟效益的重要途徑。對機械加工類企業來說，簡化加工工藝，節約生產材料就是重要的節支途徑。帶式輸送機的改向滾筒是用于改變膠帶運行方向的重要部件，其生產成本在帶式輸送機生產成本中占有很大比例[1]。長期以來，帶式輸送機的小直徑改向滾筒(φ≤630 mm)筒皮加工制造存在兩個矛盾：一是加工工藝與生產成本的矛盾，采用卷制方法加工滾筒筒皮時，加工工藝成熟，原材料采購容易，但加工工藝復雜，對設備要求較高，生產成本偏高；二是加工工藝與結構強度的矛盾，采用卷制方法加工滾筒筒皮時，板材厚度不宜過厚，否則采用卷板機無法卷制成形，但板材厚度降低后滾筒筒皮的結構強度得不到保證。目前，市場上的無縫鋼管屬于成型型材，具有性能較好、存量較大、價格較低的特點[2-3]。為此，從設計強度、工藝流程、生產成本三方面分析，探索以其作為帶式輸送機小直徑改向滾筒筒皮的可行性。

1 無縫鋼管的確定

1.1 滾筒筒皮受力分析

在設計計算方面，無論滾筒直徑大小，計算方法都一樣。因此，以直徑630 mm、許用合力最大的小直徑改向滾筒為例，進行設計計算。此外，計算中所有滾筒筒皮的輻板均為內焊接結構，以確保滾筒結構特征一致。

滾筒筒皮的力學性能離不開它與輻板及軸的整體組合力學特性，滾筒筒皮與軸的連接方式分為鍵連接和脹套連接兩種。這兩種方式可以通過兩種力學模型來分析，一種是輻板柔性連接力學模型(對應鍵連接結構)，另一種是輻板剛性連接力學模型(對應脹套連接結構)[1]。通過輻板不同連接方式時的力學模型可以看出：滾筒筒皮中點和靠近輻板處的應力較大，這些地方是設計中需要注意的危險點[4-5]。輻板不同連接方式時的力學模型如圖1所示。

圖1 輻板不同連接方式時的力學模型

1.2 滾筒筒皮強度計算

結合使用經驗可知：只要保證靠近輻板處的滾筒筒皮強度(主要指應力和厚度)合格，就能滿足設計要求。因此，需要對滾筒筒皮的應力σ和厚度t兩個參數計算，計算式分別為

(1)

(2)

式中：T為滾筒受到的合張力，可通過整機設計計算得到，kN；D為滾筒直徑，根據膠帶強度和整機設計確定，mm；BW為兩輻板的中心距，可在設計手冊中查到，mm；t為滾筒筒皮厚度，mm；[σ] 為滾筒筒皮的許用應力，取13 kg/mm2；K為計算系數，取值見表1[1,6-7]。

表1 計算系數K

依據式(1)、式(2)，結合DTII(A)型帶式輸送機設計手冊中φ630 mm改向滾筒的設計手冊選型參數要求[8-9]，計算鋼板卷制筒皮的應力和厚度，結果見表2。由表2可知：鋼板卷制筒皮的應力計算值均大于許用值，因此其應力滿足設計要求；鋼板卷制筒皮的厚度計算值均小于設計值，由于選型參數的富余量較大，其厚度也能滿足使用要求[10]。

表2 鋼板卷制筒皮的應力和厚度計算結果

1.3 無縫鋼管的選擇

與同等厚度的鋼板卷制筒皮相比，無縫鋼管筒皮一般采用整塊鋼材熱軋成型，無需焊接，也沒有焊縫，故其結構強度更大，完全能夠滿足結構強度要求。根據對鋼板卷制筒皮性能分析，應該選用外徑630 mm的無縫鋼管作為滾筒筒皮。當前市場上外徑630 mm的無縫鋼管有7種規格，其壁厚分別為10、12、14、18、20、25、30 mm。其中，壁厚18、20、25、30 mm的無縫鋼管均可滿足140B306滾筒筒皮厚度16 mm的要求。結合材料成本考慮，選擇外徑630 mm、壁厚18 mm的無縫鋼管，其外圓內孔經過加工后作為滾筒筒皮更合適。

2 加工工藝流程

以加工制造140B306小直徑改向滾筒筒皮為例，對比分析鋼板卷制筒皮和無縫鋼管筒皮的加工工藝流程。

(1)鋼板卷制筒皮的加工工藝流程為：鋼板下料(Ⅰ)—液壓卷管機卷筒(Ⅱ)—碳弧氣刨坡口(Ⅲ)—焊接(Ⅳ)—車兩端和坡口外圓(Ⅴ)。各個工序所需工時分別為：工序(Ⅰ)1 工時，工序(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅳ)12工時(3人4 h，同時作業)，工序(Ⅴ)6工時(2人3 h，同時作業)。

(2)無縫鋼管筒皮的加工工藝流程為：下料(Ⅰ)—車兩端和外圓(Ⅱ)。各個工序所需工時分別為：工序(Ⅰ)0.50 工時，工序(Ⅱ)4工時(2人2 h，同時作業)。

與加工鋼板卷制筒皮相比，加工無縫鋼管筒皮省去了(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅳ)三個工序，可以節約12工時；在相同工序中，加工無縫鋼管筒皮還可節約2.50工時。此外，還可以節省液壓卷管機、刨坡口機和電焊機等設備，這些設備可以在其他地方創造財富。

3 生產成本

根據當前市場價格，以制造一個140B306小直徑改向滾筒筒皮為例，結合實際工時分配情況，并考慮車間之間的運輸互轉費用，對比分析兩種筒皮的生產成本(表3)。由表3可知：在原材料質量相同的情況下，制造一個140B306小直徑改向滾筒筒皮，無縫鋼管的采購成本較高，但其加工工序較少，各工序所需工時也較少，生產成本更低，能夠節約生產成本55.74元。

表3 兩種筒皮的生產成本計算結果

注：140B306滾筒筒皮的質量為387 kg。

4 結論

通過對比分析，可以得出以下結論：

(1)鋼板卷制筒皮的結構強度能夠滿足使用要求，而無縫鋼管筒皮的結構強度大于鋼板卷制筒皮，因此無縫鋼管的結構強度也能滿足使用要求。

(2)加工無縫鋼管筒皮時可以省去卷筒、碳弧氣刨坡口、焊接三道工序，能夠節約14.50工時，滾筒筒皮生產周期大幅縮短。

(3)在制作相同質量的滾筒筒皮時,采用無縫鋼管的綜合成本更低。