关于新型滚筒的优化设计及工艺特点

由于特殊工况环境及作业条件的复杂无常等，对皮带输送机和一些关键零件的设计提出了很高的要求，特别是滚筒，对皮带输送机的连续安全工作运行非常重要。滚筒短的损坏将导致停机更新，更换滚筒还需对输送带重新进行牵力调整、强力调整和运行调偏的工作。所以滚筒的损坏会影响到输送机的安全运行，影响到工作面的连续工作。

1、新型免胀套滚筒的结构特点

我国常用的皮带输送机滚筒，其结构都是讲滚筒与接盘选用过渡配合加键连接安装或采用胀套进行联接。实践中存在如下问题：采用键连接时，通常要对滚筒轴进行键槽加工，必然破坏滚筒轴的整体强度，使滚筒的使用寿命缩短；采用胀套联接增加了整个滚筒的成本；另外在安装时，也需要提高技术要求。针对上述情况我们将 滚筒结构进行了改进设计。

新型滚筒轮毂与辐板为铸钢件一体化结构，轮毂与滚筒轴的配合采用轮毂内壁定位(过盈配合)，并取消了容易失效的螺栓联结，传动滚筒取消了强度较低的螺钉组连接，该结构传动滚筒经实际运行检测抗冲击和振动的变载能力明显加强。

2、计算结果及分析

由于对滚筒进行静力分析，所以对滚筒轴的自由度约束比较大，从而主要分析滚筒筒壳和接盘等部位的应力分布状况。从传动滚筒应力分布云图和传动滚筒位移分布云图可以看出：

(1)传动滚筒的应力主要集中在轴承与接盘之间的轴段、接盘幅板处和滚筒内壁，最大等效应力在轴与轴承接触内侧凸肩处，根据传动滚筒的安全系数一般为 3～4，滚筒轴的强度完全满足强度要求。由于滚筒变形使输送带受力不均，滚筒焊缝出现应力集中，显然在滚筒材料强度要求范围内。但是如果焊缝质量不过关， 存在着很大的残余焊接应力，将可能使滚筒产生压裂现象，所以驱动滚筒的制造要符合较为严格的加工技术条件，并要求严格控制焊缝质量。

(2)由于输送带的挤压，筒壳出现凹陷变形，相应的另半周筒壳产生凸起变形，位于滚筒中心部位。在筒内壁沿轴向或径向焊肋板可有效地降低筒壳变形，并进而减小焊缝处的应力集中。

3、传动滚筒的优化设计

用有限元法进行传动滚筒的结构尺寸优化，通过有限元应力和刚度分析，在满足传动滚筒强度、刚度的条件下，尽量使滚筒的重要参数和筒壳厚度、接盘幅板厚度和 滚轴径等最小。用有限元法进行滚筒优化设计的过程中，其他滚筒结构参数不改变，优化的目标是将滚筒壁厚减少到20mm，但滚筒变形不可增大甚至要变小，接盘与筒体连接处的焊缝应力集中不增大。

经过计算后得知，滚筒壁厚变薄后滚筒变形明显增加，增加了约23%，由于滚筒刚性降低，滚筒轴上的应力集中随之降低，滚筒焊缝处应力集中加大，可以考虑在 滚筒内壁焊径向加强环，并沿轴向焊上肋板以降低滚筒应力集中，提高滚筒的整体强度，有限元分析计算结果显示，加强肋后对减小滚筒变形的效果是很明显的，可 以降低30%左右。滚筒焊缝处的应力集中明显变小，与滚筒筒壁变薄前没有太大变化，基本上达到了优化滚筒壁厚的目的。显然，在滚筒壁厚变薄后采取的加强措 施，是行之有效的，可以**降低滚筒壁厚，使滚筒变得更加轻巧，又不影响滚筒的实际强度，新型等强度滚筒采用了这种加强措施。

4、新型滚筒的工艺特点

焊接工艺的确定：

(1)焊接方法。首先对焊接部位加热，并采用CO2和Ar混合气体保护焊的方式进行焊接，混合气体保护焊能克服CO2气体保护焊的缺点，能保证焊接质量。 焊接时，将滚筒放在滚轮架上转动，转速可以控制，保证焊缝根部能熔透又不出现焊穿等缺陷。现在可以利用专用设备实现焊接自动化。

(2)焊接材料。气体保护焊材料：焊丝H08Mn2SiA，直径12mm，保护气体25%CO2+75%Ar。

(3)焊前准备。清除坡口和坡口两侧50mm范围内及焊丝上的水、锈、油污等杂质。焊剂431须经250℃烘干2h后再使用。

(4)滚筒装配和坡口尺寸。

①滚筒装配时轴和圆筒及接盘应同时装配，先将一个接盘装在轴上，然后将轴穿入圆筒，接盘与圆筒对正后用链接板定位焊，再将另一接盘装在轴的另一端以同样方 法固定圆筒和另一接盘；②坡口尺寸：坡口尺寸的关键是间隙和钝边的大小，若间隙小、钝边大，焊接时不易熔透，反之又容易出现烧穿现象。

(5)焊接工艺参数。焊缝采用气体保护焊一次焊接成型，采用逆向焊接效果极佳。

(6)焊后回火。由于滚筒轴已经调质处理，如滚筒整体回火会降低轴的性能，只能对焊缝局部回火处理。焊缝回火24h以后，按设计标准对焊缝探伤检验，焊缝质量均达到设计要求。

有限元理论和各种有限元分析软件的出现，让输送机设计人员不用对传动滚筒受力做大量的计算和研究，就可以基本掌握滚筒的受力和变形情况，并可利用有限元计算结果，找出设计中的薄弱环节，进而达到对滚筒改进设计的目的。我们就此设计出了新型滚筒，针对每条皮带输送机的输送量、长度、带速制定滚筒的各项技术指标， 优化各项技术参数，降低了滚筒的成本，提高了滚筒的使用寿命。