ZXT型振動篩篩箱制造工藝研究

吳澤洲 涂曉琴 曾愛民

（三川德青工程機械有限公司）

隨著泥水盾構直徑趨向大型化，地面泥水處理量向3 000 m3/h 及以上躍遷，這就迫切需要使用大型振動篩來高度集成設計泥水分離設備，以實現縮小設備占地面積、減少設備故障點、降低設備投資和運維費用的目的。國產振動篩在工況運行時可靠性不高，橫梁斷裂、側板開裂等早期失效現象時有發生，1.8 m 及以上篩寬的大型振動篩尤為突出。實踐證明，影響振動篩產品可靠性的因素中，生產制造占三成，但對大型振動篩而言，生產制造因素可能躍升到五成以上。我國煤炭行業曾引進國外振動篩全套設計圖紙，但生產制造出的篩機，在可靠性上普遍低于原裝進口篩機，大型篩機的可靠性甚至不足原裝進口篩機的20%。因此，通過優化篩機制造工藝來提升制造質量，緩解改善大型振動篩的早期失效問題很有必要。

1 ZXT型振動篩篩箱結構

ZXT 型振動篩是三川德青工程機械有限公司自主研發設計制造的，主要用于泥水的預篩分及旋流底流的脫水篩分，是該公司生產制造的最寬、最大的篩機。

ZXT 型雙層振動篩主要由篩箱、篩板及緊固附件、振動電機、隔振支承裝置等組成。在振動電機激振力激勵下，篩板隨同篩箱作平面直線往復運動，渣料沿篩面向出渣口作拋擲運動，實現泥水的預篩分、旋流底流的脫水篩分等功能。篩箱是振動篩最主要的構成部件，也是振動篩生產制造的重難點。篩箱主要由振動橫梁、連接橫梁、加強橫梁、側板、內外加強筋腹板等鉚固、焊接而成。篩箱結構見圖1。

針對篩箱早期失效現象，從ZXT 型振動篩篩箱的生產制造入手，對影響篩箱制造質量的工藝因素進行分析、研究與探討，針對性提出優化改進措施，以提高篩箱制造質量，延長篩箱使用壽命，從而為大型篩箱的生產制造積累經驗。

2 材料質量的控制

篩箱不僅要在交變載荷下連續運行，同時還受塊料沖擊、物料的磨損與腐蝕，因而設計時需在保證有足夠強度與一定壽命的前提下盡量降低參振質量，以優化篩機性能參數。因而材料的選擇與控制十分重要，尤其是篩箱側板、振動橫梁、支撐橫梁等關鍵部位的材料。材料或構件中有折疊、夾層、夾雜等內在質量缺陷，或有裂紋、劃傷、結疤、變形等外在質量缺陷，則這些原始缺陷在激振力作用下，會逐漸擴展，當達到一定臨界尺寸時，就會嚴重影響篩機的疲勞強度，發生橫梁斷裂、側板開裂等失效現象。因此鋼板、型鋼進場時，必須同時提供質量檢驗報告及產品合格證，且外觀質量符合規范要求。振動橫梁及側板等重要構件除進行標準化驗外，下料前還需進行超聲波探傷。

關鍵板材在數控切割前，先在鋼板上標識零件輪廓線，在輪廓線內外側各50 mm 范圍內進行100%超聲波探傷，其他按4 點/m2100 mm×100 mm 做超聲波探傷抽檢，板材內部不允許有大于30 mm×30 mm分層［1］，其目的是為了發現材料內部缺陷，避免下料后產生單邊切口裂紋，可在一定程度上消除斷裂源。

振動橫梁的無縫鋼管需作100%超聲波探傷，探傷儀以高出基準靈敏度6 dB 的掃描靈敏度進行掃描；當發現缺陷時，再將探傷儀調整到基準靈敏度進行掃描，若缺陷回波幅度≥基準靈敏度，則判定為不合格品［2］。不合格品可在公差范圍內適當修磨后再復探，目的是為了發現材料的內部缺陷，避免管材受力后引起應力集中，可一定程度上消除裂紋成核。

焊接所用的焊條（焊絲）、焊劑等焊接材料的質量必須符合設計要求和現行國家規范，進場嚴格按規定驗收，合格后方可入庫。焊接過程中，焊劑使用前按要求烘烤，焊接用氣體必須符合現行國家標準的純度要求［3］，目的是為了保證焊縫接頭的質量，提高焊接結構的疲勞強度。

3 制造質量的控制

篩機制造質量控制主要包括焊接變形控制、內應力控制以及加工精度控制3 個方面。為控制篩機制造質量，制定以下工藝對策。

3.1 下料控制

篩機工況運行時，受連續交變激振力作用，為保證篩箱整體疲勞強度，去除應力集中源，制定篩箱生產制造通用原則如下。

（1）所有構件均應讓出不規則部分后整體下料，不允許有拼焊現象；鋼材表面若有扭曲或彎曲等不平缺陷，需采取矯正措施校平鋼板或校直型材；型材采用鋸切下料，規則薄板采用剪板下料，側板、異形板材采用數控切割下料；切割口表面粗糙度Ra50，目的是縮小熱影響范圍，減少熱變形，提高下料精度，控制應力集中。

（2）所有構件下料后，均應進行Sa2 級拋丸除銹預處理，材料表面沒有可見油脂、氧化皮、鐵銹等雜質。空氣相對濕度60%～70%時，應在拋丸后2 h 內完成防銹底漆的噴涂；空氣相對濕度小于60%時，應在拋丸后4 h 內完成防銹底漆的噴涂，目的是去除附著物，清潔材料表面，提高構件的美觀性，同時防止材料再氧化及二次污染。

（3）所有構件下料后，均需去除切口周邊的熔瘤、掛渣或毛刺，切割缺口均倒角、打磨光滑，目的是去除應力集中源，為后續加工提供便利。

3.2 焊接控制

ZXT 型篩箱大小5.5 m×2.0 m×2.5 m，橫梁長2.04 m，焊接作業量大，焊縫質量要求高。為控制焊接變形，保證焊接質量，工藝技術人員制定出篩箱焊接通用原則如下。

（1）篩箱母材多采用碳素結構鋼或低合金結構鋼，電弧焊匹配選用J427/J506焊條，埋弧焊匹配選用H08MnA 焊絲，氣體保護焊匹配選用H08Mn2SiA 焊絲，以保證焊縫的強度、韌性和塑性等力學性能。

（2）壁厚12 mm 以下構件開單面坡口，壁厚12 mm 以上構件開雙面坡口，開坡口優先采用機加工；若采用碳弧氣刨，需打磨去除坡口表面的滲碳氧化層，層厚約0.7 mm；去除坡口邊緣表面上的氧化皮、鐵銹、熔渣等附著物，直至露出金屬光澤，清理范圍不少于20 mm，目的是讓電弧能深入到焊縫的根部，使根部能夠焊透并融合好，提高焊縫接頭強度。

（3）焊接接頭組對后，優先采用工裝定位或卡具剛性固定，也可在坡口內直接點焊定位。組對定位時，不僅要控制對口錯邊量、組對間隙及棱角度等參數不超過產品制造、驗收標準的規定［4］，還要保證不影響底層焊縫的施焊作業。工裝定位的目的是實現焊前固定、焊后校正，以控制焊接變形。

（4）焊前進行預熱，預熱溫度為100～200 ℃，預熱范圍為坡口邊緣正反面各75 mm范圍內，加熱方式為火焰加熱。預熱目的是提高焊接接頭初始溫度，減少焊縫金屬與母材間的溫差，防止產生焊接裂紋。

（5）CO2氣體保護焊一般采用細焊絲、小電流、低電壓的短路過渡形式。工藝參數焊絲規格為?1.2 mm，焊接電流為120～130 A，電弧電壓為9 V，焊接速度為30～50 cm/min，焊絲伸出長度為10～15 mm，焊道數為2，氣體流量為20 L/min。焊接層次為打底焊→填充焊→蓋面焊，按要求進行多道焊與層間清理，層間溫度150～400 ℃，目的是實現穩定的焊接過程，焊接飛濺小，焊縫成形良好。

（6）焊后橫向錘擊焊縫，盡量使焊縫金屬向橫向擴展，以消除焊接應力。因鋼材在300～500 ℃有脆性，因而建議錘擊冷焊縫，即在100～150 ℃時進行。

3.3 內應力控制

篩箱的制作過程伴隨有不均勻的加熱和冷卻，將產生多種內應力，有折彎時產生的折彎應力、焊接時產生的焊接應力、強行緊固連接時的連接應力等，各構件鉚焊成一體時將合成新的內應力。內應力在激振力作用下對篩箱有破壞作用，因而對參振焊件需進行焊后熱處理——去應力退火，以細化鋼的晶粒，消除應力集中，提高焊縫強度，是篩機保證質量及延長壽命的有效手段。

振動橫梁去應力退火工藝規范為開爐后緩慢加熱，2 h 內溫升至400 ℃；2 h 后以100 ℃/h 加熱至Ac1以下100～200 ℃，且保持爐內各控點溫差不大于20 ℃；以最厚斷面計算，每25 mm 厚度爐內保溫1 h，但不得少于4 h；閉爐隨爐冷卻至200 ℃以下，再出爐空冷至室溫。對于加工焊件的去應力退火，在粗加工后、精加工前進行，退火溫度取下限。開爐放置構件時，需注意將構件放平墊正，避免熱處理變形。

3.4 機械加工控制

（1）側板的加工。側板是篩箱的重要構件，面積大且形狀不規則，根據振動受力特性，主側板采用整張鋼板低溫下料，采用定位精度± 0.1 mm 的數控等離子切割機切割成形。ZXT 主側板上的鉚接孔多達上百個（圖2），分別與各橫梁及內外加強筋腹板等鉚接。側板上所有孔的加工優先采用平面數控鉆，可實現一次裝夾即可完成，與傳統的劃鉆工藝相比，消除了人為因素的影響，大幅提高了加工精度及功效。若沒有一次成孔設備，則將2塊側板通過工藝孔配對疊加后，采用鉆模加工各螺栓孔及鉚接孔。

（2）橫梁的加工。橫梁是兩側板之間的主要連接部件，一般包括振動橫梁、連接橫梁和加強橫梁，數量較多。橫梁具有連接兩側側板、傳遞電機激振力和承載固定篩板的功能，是容易發生早期失效現象的關鍵部件。要提高大型振動篩的可靠性，無論是焊接方面還是機加工方面，都要保證橫梁質量，包括形位公差和尺寸公差，且焊后要做探傷檢測。以數量最多的連接橫梁為例，說明橫梁加工中需要注意的問題［5］。連接橫梁結構見圖3。

中間H 型鋼一般采用鋸床鋸切下料，兩端法蘭一般采用數控等離子切割機切割下料。在專用工裝夾具上分別固定H 型鋼和法蘭，采用CO2氣體保護焊機，嚴格按焊接工藝指導書焊接成型，焊后超聲波探傷檢測，Ⅱ級合格。合格的構件去除焊渣后，進行去應力退火處理、噴丸處理，以消除焊接應力。

為有效保證橫梁加工精度，加工時采用同一定位基準一次性裝夾固定，不僅能消除系統誤差，還可提高構件的互換性；為有效保證橫梁的形位公差，不允許采用兩端法蘭端面作為基準，而是校核H 型鋼的對中端面作為加工基準。優先采用對頭鏜床同時鏜銑兩端法蘭面及端面各孔，若無相應設備也可采用數控鏜銑床一次性裝夾后加工。需要注意的是，所有橫梁寬度要控制在-0.5 mm 公差范圍內，所有橫梁兩端法蘭加工后的厚度要保持一致，不超出-0.1 mm 公差范圍；所有橫梁的H 型鋼與兩端法蘭的垂直度要控制在0.5 mm 公差范圍內，兩端法蘭端面的平行度要控制在0.5 mm公差范圍內。

（3）內外加強筋腹板的加工。內外加強筋腹板一般薄而長，加工的關鍵是控制焊接應力和焊接變形，因而針對性設計了專用的工裝夾具。內外加強筋腹板先配對，通過工藝孔對稱裝夾固定在工裝的兩側，再嚴格按焊接工藝指導書焊接成型，焊后超聲波探傷檢測，Ⅱ級合格。合格的構件去除焊渣后，與工裝一起進行去應力退火處理，然后再拆離工裝，分別進行噴丸處理，最后采用工裝夾具加工各鉚接孔。

3.5 組裝控制

篩箱主要是通過鉚釘來完成各構件的連接，相關構件均需加工孔，成孔后的毛刺對結合面的粗糙度有影響。為消除橫梁斷裂隱患，防止鉚釘產生松動現象，組裝前需對各構件連接結合面去除污物、去毛刺倒棱角后，涂防銹油，以保證鉚接質量。

篩箱組裝時，先將主側板、內外加強筋腹板分別配對，鉚接組裝成對稱的兩側板；利用工裝將配對側板對稱立起來，確保兩側板相互平行，兩側相對應的兩孔同軸；分別找正、定位，逐個將振動橫梁、連接橫梁、加強橫梁鉚接固定在側板上，保證安裝后對稱側板平行、同軸，并與各橫梁垂直。

鉚接過程中需要注意鉚接操作順序，先用螺栓副將需鉚接的構件連接起來，在找平找正的過程中，逐漸擰緊螺栓副；鉚接順序是從最中間開始，然后成放射狀向周邊逐步擴散鉚接，直至最外緣；鉚接過程是松開1 個螺栓副，然后再鉚接1 個鉚釘。該種操作雖繁瑣，但能提高主側板與其他構件的結合緊密性，使篩箱形成一個剛性整體，從而保證篩箱有足夠的強度和剛度［6］。

3.6 耐磨防腐處理

振動篩在泥水分離的篩分過程中，篩箱側板及篩下橫梁長期受渣料或泥水混合物的持續磨損、沖刷及腐蝕，嚴重降低了振動篩的可靠性和使用壽命。

側板和橫梁常規是由碳素結構鋼或低合金結構鋼制作而成。目前，側板的防護主要是噴涂防腐蝕底漆，同時篩上部分結合篩板的安裝輔以聚氨酯側壓條；橫梁的防護多采用黏結橡膠板。實踐表明，噴涂防腐蝕底漆防護作用不大，泥水混合物在短時間內就可沖刷磨損光涂層；橡膠板的黏結工藝繁瑣，質量不穩定，且橡膠板的耐磨性能有限，遠不如聚氨酯制品。為達到耐磨防腐目的，對篩箱噴涂聚氨酯彈性體。

噴涂型聚氨酯彈性體是聚氨酯的升級產品，是現代涂裝領域重要的創新技術，其性能與橡膠相似，耐磨、彈性好、強度高，使用領域幾乎與橡膠的應用領域重合，其可塑性優于橡膠，可根據需要制作各種物件。

4 結論

研究大型篩箱的制造工藝，對于篩箱使用壽命的提高、制造成本的降低以及運維費用的減少意義重大，只有不斷提高生產制造工藝水平，才能使國產大型振動篩更好地滿足工況使用要求。通過采取以上工藝對策，加強制造質量管控后，有效改善了ZXT型篩箱發生橫梁斷裂、側板開裂等早期失效現象，大幅提高了ZXT 型振動篩的工況運行可靠性，有力保障了地下盾構工程的順利掘進與施工。