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焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第三章 新型免脹套免鍵聯(lián)接等強(qiáng)度滾筒的特點(diǎn)
第三章 新型免脹套、免鍵聯(lián)接
等強(qiáng)度滾筒的特點(diǎn)
從以上分析和常見滾筒的失效形式和改造措施來看，絕大部分廠家在遇到問題時(shí)僅僅對滾筒的連接部分進(jìn)行改造，這樣一來，對滾筒的整體質(zhì)量改進(jìn)有限，不能大幅度地提高滾筒的質(zhì)量和使用壽命。
基于生產(chǎn)實(shí)踐的需求，我們開發(fā)了新型免脹套、免鍵聯(lián)接等強(qiáng)度滾筒以解決使用壽命短、易損壞的缺點(diǎn)。
3.1 新型滾筒的特點(diǎn)
我國常用的DT75型系列和DTII型系列帶式輸送機(jī)的滾筒，其結(jié)構(gòu)都是將滾筒與接盤選用過度配合加鍵聯(lián)接安裝或采用脹套進(jìn)行聯(lián)接。實(shí)踐中存在如下問題:(1)采用鍵聯(lián)接時(shí)，通常要對滾筒軸進(jìn)行鍵槽加工，必然破壞滾筒軸的整體強(qiáng)度，是滾筒的使用壽命縮短。采用脹套聯(lián)接增加了整個(gè)滾筒的成本，另外在安裝時(shí)，也需要很高技術(shù)要求，如果稍有差錯(cuò)就會釀成大禍。針對上述情況我們將滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。
圖3-1 主傳動滾筒原結(jié)構(gòu)
1 滾皮 2 輻板 3 輪轂 4 軸 5 聯(lián)接螺栓
現(xiàn)在有些廠家生產(chǎn)的傳動滾筒還采用在筒體上的輻板與軸體上的輪轂通過4—6個(gè)的螺栓聯(lián)接而成的。接盤輪轂與滾筒軸之間的聯(lián)接為脹套聯(lián)接,通過軸向相對滑動使脹套徑向脹大,把接盤與軸聯(lián)接為一體。這種形式常出現(xiàn)問題，螺栓聯(lián)接屬于間隙配合,在滾筒長期運(yùn)行過程中,會由于反復(fù)應(yīng)力的作用而松動,松動后傳動軸與筒體之間扭矩主要靠螺栓承擔(dān),使螺栓受到的剪切力大大增加,從而導(dǎo)致螺栓損壞。
我們對滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，改造后的傳動滾筒結(jié)構(gòu)如圖3-2所示, 滾筒輪彀與輻板采用鑄鋼件，為一體結(jié)構(gòu)，。傳動滾筒取消了強(qiáng)度較低的螺釘組連接,使主軸與傳動滾筒的卷筒由3處聯(lián)接改為2處連接,該結(jié)構(gòu)傳動滾筒經(jīng)實(shí)際運(yùn)行檢測抗沖擊和振動的變載能力明顯加強(qiáng)，主軸與滾筒的卷筒同軸度較好,并且在保證主軸設(shè)計(jì)強(qiáng)度不變的情況下,改變了主軸局部尺寸, 輪轂與滾筒軸的配合，采用日本 NC公司的專用工藝，采用輪彀內(nèi)孔定位（過盈配合），確保滾筒的安全性。該傳動滾筒結(jié)構(gòu)簡單,成本低,加工、安裝及損壞維修極為方便,使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原結(jié)構(gòu)的傳動滾筒。
圖3-2帶式輸送機(jī)傳動滾筒結(jié)構(gòu)圖(改造后)
傳統(tǒng)剛性構(gòu)造的滾筒，外直徑比較小，而且外筒和鏡板的鋼板、設(shè)計(jì)厚度都很厚。這種結(jié)構(gòu)，在外筒與鏡板的焊接處，鏡板與套的界面等斷面形狀和材料厚度有變化的部位，應(yīng)力極容易集中。在這些應(yīng)力集中部位，很容易發(fā)生龜裂，整體強(qiáng)度低。
柔性構(gòu)造的滾筒，外直徑大，而且外筒、鏡板的厚度適中。柔性構(gòu)造的滾筒允許外筒和鏡板具有適當(dāng)?shù)膿隙?，使這些部件在容許的范圍內(nèi)分擔(dān)部分應(yīng)力，避免應(yīng)力集中到外筒與鏡板的焊接處、鏡板與套的界面等特定位置，實(shí)現(xiàn)均勻的應(yīng)力分布，增強(qiáng)整體強(qiáng)度。這種理論與超高層大樓必須采用柔性構(gòu)造的理論相同
3.2 滾筒焊接工藝的改進(jìn)
3.2.1滾筒結(jié)構(gòu)分析
滾筒由軸、筒皮及兩個(gè)接盤組成,接盤是鑄鋼件,筒皮由鋼板卷制而成。其結(jié)構(gòu)及材質(zhì)如圖3-2、表3-1所示。
圖3-2 滾筒結(jié)構(gòu)示意
1-滾筒軸;2—圓筒;3—焊縫;4—接盤
表3-1 滾筒各組成部分材質(zhì)
軸與接盤采用過盈配合聯(lián)接,接盤與筒皮采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接,驅(qū)動力傳遞給滾筒軸，軸帶動滾筒整體轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動膠帶運(yùn)行。接盤與筒體之間的焊接是制造滾筒的關(guān)鍵工藝,以前國內(nèi)的滾筒常在接盤與圓筒的焊縫處破壞。按設(shè)計(jì)要求,焊縫質(zhì)量必須達(dá)到ＪＢ1152-81超聲波探傷Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)。接盤和圓筒的焊接坡口如圖3-2、圖3-3所示。
圖3-2 焊接坡口(對接) 圖3-3 焊接坡口(搭接)
1—接盤;2—圓筒 1—接盤;2—圓筒
結(jié)構(gòu)是對接,如果仍用埋弧焊打底焊,就會產(chǎn)生燒穿現(xiàn)象。因此采用圖3-3對接接頭關(guān)鍵是保證焊縫根部既要熔透,又不能燒穿。另外如圖3-1所示滾筒軸的中段粗,軸和圓筒及接盤必須同時(shí)裝配,也就是在焊接前必須將軸穿入接盤及圓筒。這樣在焊接時(shí),焊縫內(nèi)側(cè)就無法加焊接藥墊施焊,只能在外側(cè)單面焊。另外,在設(shè)計(jì)上不允許在焊縫內(nèi)側(cè)加墊板,只有在焊縫內(nèi)側(cè)不加墊板的情況下,采用單面焊雙面成形的方法焊接,并達(dá)到探傷標(biāo)準(zhǔn)。如出現(xiàn)焊縫根部未熔透或燒穿缺陷,返修相當(dāng)困難,只能一次焊成合格。
3.2.2 焊接工藝的確定
(1)焊接方法。首先對焊接部位加熱，并采用ＣＯ2和Ａｒ混合氣體保護(hù)焊的方式進(jìn)行焊接，混合氣體保護(hù)焊能克服ＣＯ2氣體保護(hù)焊的缺點(diǎn),能保證焊接質(zhì)量。焊接時(shí),將滾筒放在滾輪架上轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)速可以控制，保證焊縫根部能熔透又不出現(xiàn)焊穿等缺陷?，F(xiàn)在可以利用專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)焊接自動化。
(2)焊接材料。氣體保護(hù)焊材料:焊絲Ｈ08Ｍｎ2ＳｉＡ,直徑1 2ｍｍ,保護(hù)氣體25%ＣＯ2+75%Ａｒ。
(3)焊前準(zhǔn)備。清除坡口和坡口兩側(cè)50ｍｍ范圍內(nèi)及焊絲上的水、銹、油污等雜質(zhì)。焊劑431須經(jīng)250℃烘干2ｈ后再使用。
(4)滾筒裝配和坡口尺寸。 ①滾筒裝配時(shí)軸和圓筒及接盤應(yīng)同時(shí)裝配,先將一個(gè)接盤裝在軸上,然后將軸穿入圓筒,接盤與圓筒對正后用聯(lián)接板定位焊,再將另一接盤裝在軸的另一端以同樣主法固定圓筒和另一接盤,;②坡口尺寸:坡口尺寸的關(guān)鍵是間隙和鈍邊的大小,若間隙小、鈍邊大,焊接時(shí)不易熔透,反之又容易出現(xiàn)燒穿現(xiàn)象。
(5)焊接工藝參數(shù)。焊縫采用氣體保護(hù)焊一次焊接成形,采用逆向焊接效果極佳。
(6)焊后回火。由于滾筒軸已經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,如滾筒整體回火會降低軸的性能,只能對焊縫局部回火處理。采用了履帶式遠(yuǎn)紅外加熱器對焊縫回火處理,消除焊接殘余應(yīng)力,即將加熱器包在焊縫上,再蓋上保溫棉。回火曲線如圖3-4所示。
圖3-4 回火曲線
焊縫回火24ｈ以后,按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對焊縫探傷檢驗(yàn)，焊縫質(zhì)量均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
3.3 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
滾筒在工作面端頭,由于受采壓的影響,圍巖變形、頂板破碎、淋水及底板凹凸不平等,條件非常惡劣,特別是淋水、煤泥積水和浮煤等污物對滾筒軸承浸漬研磨非常嚴(yán)重。根據(jù)條件不同,使用時(shí)間最短的約一個(gè)月?lián)p壞,致使停機(jī)更換。同時(shí)更換一次滾筒還需對輸送帶重新進(jìn)行牽力調(diào)整、張力調(diào)整和運(yùn)行調(diào)偏的工作。所以滾筒的損壞不單是本身的問題,來會影響到輸送機(jī)的安全運(yùn)行,影響到工作面的連續(xù)出煤,降低采掘系統(tǒng)的開機(jī)率。
現(xiàn)行帶式輸送機(jī)向滾筒的軸承密封[8]均采用旋轉(zhuǎn)軸唇型密封,習(xí)慣稱為骨架油封, 圖3-5為現(xiàn)代彈性體徑向唇型密封結(jié)構(gòu),柔性環(huán)狀隔膜的一端為密封唇口,另一瑞與金屬骨架固聯(lián)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,由于α>β,接觸壓力分布不對稱,最大接觸應(yīng)力靠近α側(cè),軸旋轉(zhuǎn)后在密封界面產(chǎn)生磨擦剪力,由此導(dǎo)致彈性體的表面發(fā)生切向變形,將導(dǎo)致軸承損壞在后來進(jìn)行的密封設(shè)計(jì)中,又增加了一組骨架油封,采用背靠背組合安裝,見圖3-6,即外側(cè)的密封圈α角對污染端,內(nèi)側(cè)的密封圈α角對軸承端,該設(shè)計(jì)對于仍存在的磨損泄露問題仍未解決。經(jīng)運(yùn)行試驗(yàn)分析,首先是軸的表面粗糙度問題,實(shí)驗(yàn)表明:合適的軸表面粗糙度范圍為Ｒａ=0.2～0.6μｍ,而實(shí)際上這個(gè)指標(biāo)在生產(chǎn)中達(dá)不到,一般經(jīng)車床精車后的表面粗糙度一般為1 6μｍ,圓周表面過高的微突體在軸旋轉(zhuǎn)后, 產(chǎn)生較高的相對滑動摩擦力,由于對偶表面存在較高的硬度差,軸表面過高的微突體
圖3-5 彈性體唇形密封的構(gòu)成及其唇部結(jié)構(gòu)
對密封圈唇口起了“犁削”作用,不斷的將材料從表面去除,這種兩體磨料損也稱為低應(yīng)力磨損的破壞,加大了軸與唇口的間隙,加速了煤水滲透。然后煤泥水中的煤和矸石微粒,在隨水的滲透浸漬到了密封圈唇口,并在唇口聚積,隨著旋轉(zhuǎn)時(shí)間的繼續(xù),煤和矸石微粒加入到兩個(gè)相對滑動的表面,稱為高應(yīng)力磨損的破壞,間隙越來越大,浸漬泥沙越來越多,最后造成軸承的銹蝕與研磨破壞,被迫更換滾筒,影響到設(shè)備的安全無損運(yùn)行。
圖3-6 組合油封
密封方式選擇與密封機(jī)理分析 經(jīng)過對多種動密封結(jié)構(gòu)形式的分析研究,決定采用比較傳統(tǒng)而又價(jià)格低廉的軟填料密封設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)見圖3-7,該型密封設(shè)計(jì)是比較傳統(tǒng)的技術(shù),但由于加工容易、價(jià)格低廉、經(jīng)過對多種動密封結(jié)構(gòu)形式的分析研究,決定采用比較傳統(tǒng)而又價(jià)格低廉的軟填料密封設(shè)計(jì)。在未接觸的凹部形成小油槽,有較厚的油膜,當(dāng)軸與填料有相對運(yùn)動時(shí),接觸部位與不接觸部位組成一道不規(guī)則的迷宮,起阻止污漬侵蝕的作用,此作用稱為迷宮效應(yīng).
1—填料;2—轉(zhuǎn)軸;3—填料函;4—壓蓋;5—液封環(huán)
圖3-7 填料密封和基本結(jié)構(gòu)
根據(jù)帶式輸送機(jī)改向滾筒旋轉(zhuǎn)線速度較低,流體污物壓力不大,運(yùn)行溫度不高而侵漬污物侵蝕磨損比較嚴(yán)重的特點(diǎn),決定選用軟填料品種中的聚四氟乙衡侵漬填料(ＰＴＦＥ),ＰＴＦＥ軟填料由純聚四氟乙烯塑料加工成纖維再經(jīng)編織而成,它除了具備密封件所具有的良好性能外,還能與特種潤滑劑相配合,避免滲透泄露、污水侵蝕、耐磨損、而且還可以耐一切化學(xué)品的侵蝕。缺點(diǎn)是對高溫(200℃)和高線速度(8ｍ/ｓ)比較敏感,但是帶式輸送機(jī)改向滾筒則不會出現(xiàn)上述現(xiàn)象,所以不需考慮問題的后果。
3.4 常見滾筒軸的失效及更新設(shè)計(jì)
在我們過去生產(chǎn)帶式輸送機(jī)滾筒軸由于其軸徑粗大,造成調(diào)質(zhì)后心部的機(jī)械性能較低,再加上中軸臺階過渡為尖角,且表面粗糙度低,結(jié)果使該軸在使用時(shí)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。
在經(jīng)過認(rèn)真的分析后認(rèn)為：軸工作時(shí)表面承受交變的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,且受到一定的沖擊力作用,所以軸表面工作應(yīng)力最大。尖角的出現(xiàn)造成了應(yīng)力的特別集中,在長期交變應(yīng)力作用下,尖角過渡區(qū)就逐漸形成了微觀裂紋,應(yīng)力集中又使裂紋逐漸擴(kuò)展,由微觀變?yōu)楹暧^,繼而使軸截面嚴(yán)重削弱,最后發(fā)生突然脆斷,即產(chǎn)生了疲勞破壞。對該軸宏觀斷口的特征觀察，在軸表面有許多裂紋源同時(shí)向中心擴(kuò)展,裂紋長度為4～5ｍｍ。而最后瞬斷區(qū)的面積較大,證明軸是在較大的應(yīng)力下破斷的。
通過金相顯微鏡下觀察的滾筒軸表面及心部組織均為細(xì)粒狀珠光體加網(wǎng)狀鐵素體,晶粒度按ＹＢ27—77標(biāo)準(zhǔn)評為6級,這說明滾筒軸經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后內(nèi)部組織僅為正火處理的組織,調(diào)質(zhì)處理對45鋼,140ｍｍ的滾筒軸來說只起到了正火作用。由于鐵素體強(qiáng)度低(σｂ=230ＭＰａ),在外載的作用下不僅容易引起塑性流變,而且抗疲勞性能低,疲勞裂紋極易從鐵素體處形成。另外該軸材質(zhì)中有較多的灰色非金屬夾雜物沿軸表向里條狀分布,這些非金屬夾雜物分布在軸表面,不僅削弱鋼材自身強(qiáng)度,而且是應(yīng)力集中處,繼而成為裂紋源,加速了軸的疲勞斷裂。
改造方案
（1）結(jié)構(gòu)改進(jìn) 通過對滾筒軸斷裂的原因分析得出： 應(yīng)力集中是造成該軸疲勞破壞的主要原因,要改善軸的抗疲勞強(qiáng)度,減少軸在剖面突變處的應(yīng)力集中,應(yīng)適當(dāng)增大其過渡圓角半徑ｒ,同時(shí)還要使零件能得到可靠定位。為此我們改變了軸的結(jié)構(gòu)工藝性,將尖角處改為ｒ=63的過渡圓角,且表面粗糙度提高到Ｒａ0.8,同時(shí)采用軸套進(jìn)行軸向定位.
（2）熱處理工藝改進(jìn) 從滾筒軸的金相分析圖中可以看出,調(diào)質(zhì)處理后滾筒軸表面組織存在大量的網(wǎng)狀鐵素體,且組織不均勻。這些鐵素體極易產(chǎn)生疲勞裂紋,加速軸的疲勞斷裂,因此要增強(qiáng)軸的疲勞強(qiáng)度,必須消除大面積網(wǎng)狀鐵素體。正火處理用于亞共析鋼(如45鋼),可抑制或消除網(wǎng)狀鐵素體的形成,使組織細(xì)化,成分均勻,從而改善鋼件的機(jī)械性能。雖然正火的工藝性不如調(diào)質(zhì)好,但對滾筒軸而言正火使其獲得的機(jī)械性能依然能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)證明:正火后的軸表面脫碳及氧化程度較輕,涂防氧化涂料處尺寸正火前后變化不大,僅為±0 02,并經(jīng)有關(guān)金相檢驗(yàn)分析,原組織內(nèi)大面積網(wǎng)狀鐵素體基本消除,成分均勻,晶粒度達(dá)到5級,硬度符合性能要求(正火后ＨＢ162～217)。
改進(jìn)后,大大降低了傳動滾筒軸的返修率,提高了滾筒的使用壽命,也使輸送機(jī)的效率得到提高。
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