帶式輸送機滾筒焊縫的失效機理研究分析

蔣松樺

（晉能控股煤業集團晉華宮礦，山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機是煤礦生產中進行煤炭輸送的主要設備，可以實現高效率、高運量的穩定輸送，對煤礦高效生產提供了重要的保障。滾筒作為帶式輸送機的重要部件，對輸送帶的運行起到驅動及制動的作用[1]，在使用過程中承受的載荷較大，且易受到輸送帶的沖擊作用。滾筒在生產過程中多采用焊接的形式制成，在長期的使用過程中，存在著焊縫開裂失效的問題，造成滾筒的損壞，影響帶式輸送機的運行[2]。針對滾筒焊縫失效的機理進行研究，采用MATLAB仿真的形式對影響焊縫失效的因素進行分析[3]，從而可以采取針對性的措施，提高焊縫的質量，以及帶式輸送機運行的穩定性，保證煤礦開采的穩定高效生產。

1 帶式輸送機滾筒焊縫開裂失效機理分析

滾筒在生產過程中主要采用焊接的形式進行制作，滾筒結構中的連接位置處均依靠焊接而成，且都是環形焊縫，焊縫存在缺陷時[4]，會引起焊縫及周邊產生裂紋，在工作過程中，裂紋受到圓周方向的應力作用會不斷地擴展造成焊縫的開裂失效。

引起滾筒焊縫裂紋的因素多樣[5]，主要包括焊接過程中工藝參數選取不合適、焊接中出現應力集中、焊接結構中產生較大的殘余應力及焊接材料不一致等。引起焊接問題的原因主要是焊接應力集中及殘余應力的影響。

滾筒焊接過程中產生的應力集中主要與焊接構件的接頭形式、焊縫的外形及焊接缺陷有關，焊接的缺陷造成的影響相對復雜[6]。焊接的應力集中是焊接過程中造成，對其不能進行定性分析，采用應力集中系數的方式對應力集中進行描述[7]，從而定性的分析應力集中的程度，從而對其影響因素進行分析。滾筒焊接應力集中系數與焊接滾筒筒體的厚度、焊趾半徑、坡口角度、倒鈍厚度等相關[8]，由于坡口角度、倒鈍厚度等與焊接加工中的工藝相關性較大，文中僅對筒體板厚、焊趾半徑的影響進行分析。

焊接殘余應力與焊接過程中產生的較大的溫度差有關，滾筒焊縫在焊接過程中受到較大的約束限制其形變量[9]，且溫度差較大造成焊縫處的焊接應力值較大，焊接殘余應力是必然存在的，當殘余應力值大于所焊接材料的抗拉強度時，會造成裂紋的產生[10]。

帶式輸送機滾筒在工作過程中受到多種載荷的作用，對焊縫的裂紋造成擴展，焊縫的裂紋擴展采用應力強度因子來描述焊縫的開裂狀態。影響焊縫裂紋擴展的因素主要包括輸送帶對滾筒的包角、滾筒直徑、滾筒與輸送帶分離點的張力作用及摩擦系數[11]，滾筒的直徑與摩擦系數屬于結構設計及材料選取的問題，文中僅對輸送帶與滾筒的包角及分離點的張力作用影響進行分析。

2 滾筒焊縫失效影響因素分析及控制

2.1 滾筒焊縫裂紋應力集中數值分析及控制

對影響焊縫應力集中的因素進行仿真分析，采用MATLAB分析軟件建立滾筒的結構模型，滾筒的直徑為780 mm，滾筒的寬度為900 mm[12]，對滾筒的筒體厚度t及焊趾半徑r對焊縫應力集中系數的影響進行分析。當焊縫的坡口角度一致時，不同焊趾半徑下應力集中系數隨筒體厚度的變化如圖1所示，不同筒體厚度下應力集中系數隨焊趾半徑的變化如下頁圖2所示。

圖1 筒體厚度對焊縫應力集中系數的影響曲線

圖2 焊趾半徑對焊縫應力集中系數的影響曲線

從上頁圖1、圖2中可以看出，在一定的焊趾半徑下，隨著筒體厚度的增加，焊縫的應力集中系數逐漸增加，筒體的厚度越大，焊縫產生的應力集中系數越大；在筒體厚度一定時，隨著焊趾半徑的增加，焊縫產生的應力集中系數越小，焊趾半徑越小，焊縫產生的應力集中系數越大。在實際進行滾筒的焊接生產時，焊縫的應力集中系數應在1.6～4.0之間，則由上頁圖1可知對于筒體厚度在30 mm以內焊趾半徑應小于3 mm；筒體厚度在30 mm以上焊趾半徑應大于1 mm，且優先選用較大的焊趾半徑。

對于焊縫裂紋的產生還存在著氣孔、夾渣和咬邊等焊接的缺陷問題，對于這些問題在焊接過程中要保證坡口的清潔，處理好焊接的接頭，在焊接過程中選擇合適的焊接電流及焊接速度，并依據焊接筒體的厚度對焊趾半徑進行合理的選擇，保證焊縫的質量，避免應力集中引起的焊縫裂紋。

2.2 滾筒焊縫裂紋擴展數值分析及控制

對影響焊縫應力強度因子的因素進行仿真分析，采用MATLAB分析軟件建立滾筒的結構模型，對輸送帶對滾筒的張力及包角對焊縫應力強度因子的影響進行分析。當滾筒與輸送帶的摩擦因數一定時，焊縫應力強度因子隨張力作用的變化如圖3所示，焊縫應力強度因子隨不同包角的變化如圖4所示。

圖3 張力作用對焊縫應力強度因子的影響曲線

圖4 包角對焊縫應力強度因子的影響曲線

從圖3、圖4中可以看出，隨著輸送帶對滾筒張力作用的增加，滾筒焊縫的應力強度因子呈線性增加的趨勢，隨著包角的增加，滾筒焊縫的應力強度因子呈指數型增長的趨勢，當焊縫存在裂紋時，在輸送帶張力及包角增大時，會造成裂紋的擴展速率不斷增加造成焊縫的開裂失效。對于滾筒作用的輸送帶張力及包角不能過大，當滿足系統的設計需求時，輸送帶的張力及包角應越小越好，滾筒的包角應控制在4rad以內，從而保證焊縫的使用安全。

滾筒在焊接過程中，焊縫缺陷造成的裂紋是不可避免的，在滾筒的使用過程中，應在設計過程中合理選取輸送帶對滾筒的張力及包角大小，減小焊縫裂紋的擴展。當產生焊縫的裂紋擴展時，應及時對焊縫進行修復，提高滾筒的使用性能及壽命，保證帶式輸送機的運行。

3 結語

滾筒是帶式輸送機的關鍵部件，對輸送帶起到支撐及驅動制動的作用，滾筒在使用過程中承受的載荷作用較大，對其焊接生產的要求較高。在滾筒的失效形式中，滾筒焊縫的開裂是造成失效的主要原因。焊縫裂紋的產生主要受到應力集中及殘余應力的影響，裂紋的擴展主要受到輸送帶張力及包角的影響。針對影響焊縫應力集中的因素及影響裂紋擴展的因素進行分析，結果表明，筒體厚度的增加及焊趾半徑的減小，造成焊縫的應力集中系數增加；輸送帶張力及包角增加，造成焊縫的應力強度因子增加。滾筒焊接時，應依據滾筒的結構參數，合理地選擇焊趾半徑，并在使用過程中，選擇較小的張力及包角，從而控制焊縫裂紋的產生與擴展，提高滾筒的質量，保證帶式輸送機的穩定運行。