王倩云

（晉能控股裝備制造集團大同科大煤機有限公司，山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機作為煤炭生產(chǎn)過程中主要的輸送設備，其運行條件極為苛刻，不僅承受煤炭下落時的沖擊，還要經(jīng)受井下潮濕、腐蝕氣體的侵蝕，對其制備質(zhì)量要求較高[1-3]。滾筒作為帶式輸送機的組成部件，制備工藝主要是焊接，必須嚴格控制焊接質(zhì)量才能保證其工作的可靠性，否則，帶式輸送機運行時一旦出現(xiàn)故障，將會導致整個工作面的工作停滯，給煤炭企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟損失。焊縫應力集中是焊接件的常見質(zhì)量問題，應力集中嚴重時極易導致焊接件的開裂，必須引起高度重視。為了確保滾筒焊縫質(zhì)量，降低焊縫位置的應力集中，有必要分析焊接應力集中產(chǎn)生的原因，進而進行有效的控制。

1 滾筒結(jié)構(gòu)及焊縫形式

帶式輸送機滾筒結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中主要包括兩條環(huán)焊縫，分別標記為了Ⅰ和Ⅱ，焊接接頭采用埋弧焊工藝，形成的焊接接頭為單側(cè)加強高接頭。此處重點分析接頭的形式和焊縫的外形對應力集中的影響，提取滾筒焊縫并進行簡化之后的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其中θ 為焊趾傾角，（°）；t 為筒皮板厚，m；r 為焊趾半徑，m；h 為焊縫余高，m；α 為坡口角度，（°）。此處引入應力集中系數(shù)Kt，其表達式為Kt=1+0.272t0.528·r-0.449·sin0.433θ，表征滾筒焊縫應力集中程度。

圖1 滾筒結(jié)構(gòu)

圖2 焊縫簡化結(jié)構(gòu)

2 應力集中仿真分析

為了更好地分析滾筒焊接接頭外形結(jié)構(gòu)對焊縫應力集中的影響規(guī)律，包括筒皮板厚、焊趾半徑和坡口角度等，采用MATLAB 仿真計算軟件，設置應力集中系統(tǒng)計算公式，選擇不同的焊縫外形結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究不同因素對焊縫應力集中的影響，以便更好地指導焊接工藝控制，以保證滾筒焊縫的質(zhì)量。

2.1 筒皮厚度對滾筒焊接應力集中的影響

運用MATLAB 仿真計算軟件，設置焊縫坡口角度一定，計算不同的焊趾半徑時筒皮厚度對滾筒焊縫應力集中程度的影響規(guī)律，統(tǒng)計結(jié)果如圖3 所示。由圖3 結(jié)果可以看出，隨著滾筒筒皮板厚的增大，不同的焊趾半徑情況下，應力集中程度逐漸增大，相同筒皮厚度時，焊趾半徑越小，焊縫的應力集中程度越明顯。由圖3 還可以看出，焊趾半徑尺寸在1～6 mm 范圍內(nèi)變化時，應力集中程度變化較為緩慢，說明其對應力集中程度影響不太敏感，而當焊趾半徑尺寸降低至0.2 mm 時，隨著筒皮厚度的增大，應力集中程度急劇變大，不足以保證滾筒焊縫的質(zhì)量。

圖3 筒皮厚度對滾筒焊縫應力集中的影響

2.2 焊趾半徑對滾筒焊接應力集中的影響

運用MATLAB 仿真計算軟件，設置焊縫坡口角度一定，分析筒皮厚度不同時，焊趾半徑對滾筒焊縫應力集中程度影響規(guī)律，統(tǒng)計結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可以看出，隨著焊趾半徑尺寸的增大，滾筒焊縫的應力集中程度逐漸降低，并且隨著筒皮厚度的增大，應力集中程度越大。筒皮厚度為60 mm 時的焊縫應力集中程度均高于筒皮厚度為5 mm 的情況，由此可見，筒皮厚度越大，焊趾半徑變化對其影響越敏感，應力集中程度越高。

圖4 焊趾半徑對滾筒焊縫應力集中的影響

2.3 坡口角度對滾筒焊接應力集中的影響

坡口角度作為焊接焊縫制作工藝中的重要參數(shù)，為了弄清坡口角度對焊接應力程度的影響，設置焊接工藝參數(shù)一定，取筒皮厚度為30 mm，仿真計算得出坡口角度與應力集中系數(shù)之間的關(guān)系，如圖5 所示。由圖5 可以看出，坡口角度小于0.2 rad 和坡口角度大于1 rad 時，應力集中系數(shù)均小于1.6，通常焊接受扭埋弧焊焊縫應力集中系數(shù)要求在1.6～4.0，因此實際焊接過程中應該將坡口角度控制在0.2～1 rad 范圍內(nèi)，盡可能地選取較大的坡口角度。

圖5 坡口角度對焊接應力集中的影響

2.4 焊縫余高對滾筒焊接應力集中的影響

焊縫質(zhì)量檢驗的另一個關(guān)鍵指標是焊縫余高，仿真計算過程中設置焊接工藝參數(shù)一定，計算不同焊縫余高對焊縫應力集中的影響關(guān)系，統(tǒng)計結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可以看出，焊縫余高尺寸為4.6 mm 時，應力集中程度明顯，實際焊接過程中通常將焊縫余高設置在2～4 mm 范圍，為了降低焊縫余高對應力集中的影響，可以對焊后焊縫進行磨平處理，同時，也可以通過控制焊接工藝參數(shù)，將焊縫余高控制在應力集中較小的范圍之內(nèi)。

圖6 焊縫余高對焊接應力集中的影響

2.5 根部間隙對滾筒焊接應力集中的影響

根部間隙作為焊縫質(zhì)量控制的重要因素之一，仿真過程中通過控制其他工藝參數(shù)一定，統(tǒng)計得出根部間隙與焊縫應力集中程度的關(guān)系，如圖7 所示。由圖7 可以看出，雖然焊縫根部間隙的存在能夠避免未焊透情況，同時也是應力集中產(chǎn)生的一個原因，應該將焊縫根部間隙控制在2.5 mm 范圍內(nèi)，并且盡量取較大數(shù)值，有利于減小應力集中程度。

圖7 根部間隙對焊接應力集中的影響

3 應力集中產(chǎn)生原因與控制

焊縫質(zhì)量控制主要是應力集中情況，而焊縫產(chǎn)生應力集中的主要原因是焊接缺陷，如裂紋、氣孔、夾渣等，必須引起高度重視。

3.1 氣孔缺陷成因與控制

焊接過程中出現(xiàn)氣孔缺陷的原因包括坡口清理不干凈，存在水分、油污及鐵銹等污物，此處的焊接方法為埋弧自動焊，除了坡口清理問題之外，還有焊接工藝參數(shù)設置不當?shù)脑?，主要是焊接電壓?shù)值過大。

為了降低滾筒焊接焊縫應力集中程度，需要嚴格控制焊件坡口潔凈度，同時嚴格按照焊接工藝控制焊接電壓和速度等參數(shù)。

3.2 夾渣缺陷成因與控制

夾渣作為焊接缺陷的一種，產(chǎn)生的原因包括接頭坡口角度過小、焊接電流過小、焊接速度過大等，為了避免滾筒焊接過程中出現(xiàn)應力集中，有必要控制焊接接頭的夾渣缺陷，選擇適宜的坡口角度，嚴格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程，控制焊接工藝參數(shù)。

3.3 咬邊缺陷成因與控制

咬邊缺陷在焊縫焊接過程中極為常見，不僅影響焊縫的美觀性，還會造成焊縫的應力集中，現(xiàn)已引起高度重視。焊接咬邊出現(xiàn)的主要原因是焊接工藝問題和焊接參數(shù)設置不當?shù)?，為了更好地控制滾筒焊縫的質(zhì)量，避免出現(xiàn)焊接咬邊缺陷，焊接過程中需要嚴格控制埋弧焊的工藝參數(shù)，包括焊接電流、焊接速度、焊接人員及焊接環(huán)境因素等。

4 結(jié)語

滾筒作為礦用帶式輸送機實現(xiàn)煤炭連續(xù)輸送的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，其運行過程中的可靠性要求較高，必須引起高度重視。滾筒制備過程中存在質(zhì)量要求較高的環(huán)焊縫，處于動態(tài)連續(xù)運轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，如果存在焊接應力集中必將加劇滾筒使用過程中的變形，影響帶式輸送機的正常運行。采用MATLAB 仿真計算軟件，分析了筒皮厚度、焊趾半徑、坡口角度、焊縫余高和根部間隙等因素對焊接應力集中影響的關(guān)系，結(jié)果表明：應力集中程度隨滾筒筒皮厚度的增大而增大，隨焊趾半徑的增大而減小；坡口角度控制在0.2～1 rad范圍、焊縫余高控制在2～4 mm、根部間隙控制在2.5 mm 以內(nèi)時能夠保證滾筒焊縫應力集中程度。結(jié)合上述焊接質(zhì)量評定因素，分析了它們引起應力集中的內(nèi)在原因是焊接缺陷，分析了焊接缺陷產(chǎn)生的原因，提出了對應的控制策略，以期為相關(guān)工作提供參考。