小直徑改向滾筒筒皮改用無縫鋼管的可行性研究

周華榮，王榮泉，黨 靜

(1.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司 生產(chǎn)服務(wù)中心，陜西 韓城 715400；2.西安重裝韓城煤礦機(jī)械有限公司，陜西 韓城 715400)

“開源節(jié)流，節(jié)支降耗”是企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。對(duì)機(jī)械加工類企業(yè)來說，簡(jiǎn)化加工工藝，節(jié)約生產(chǎn)材料就是重要的節(jié)支途徑。帶式輸送機(jī)的改向滾筒是用于改變膠帶運(yùn)行方向的重要部件，其生產(chǎn)成本在帶式輸送機(jī)生產(chǎn)成本中占有很大比例[1]。長(zhǎng)期以來，帶式輸送機(jī)的小直徑改向滾筒(φ≤630 mm)筒皮加工制造存在兩個(gè)矛盾：一是加工工藝與生產(chǎn)成本的矛盾，采用卷制方法加工滾筒筒皮時(shí)，加工工藝成熟，原材料采購(gòu)容易，但加工工藝復(fù)雜，對(duì)設(shè)備要求較高，生產(chǎn)成本偏高；二是加工工藝與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的矛盾，采用卷制方法加工滾筒筒皮時(shí)，板材厚度不宜過厚，否則采用卷板機(jī)無法卷制成形，但板材厚度降低后滾筒筒皮的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得不到保證。目前，市場(chǎng)上的無縫鋼管屬于成型型材，具有性能較好、存量較大、價(jià)格較低的特點(diǎn)[2-3]。為此，從設(shè)計(jì)強(qiáng)度、工藝流程、生產(chǎn)成本三方面分析，探索以其作為帶式輸送機(jī)小直徑改向滾筒筒皮的可行性。

1 無縫鋼管的確定

1.1 滾筒筒皮受力分析

在設(shè)計(jì)計(jì)算方面，無論滾筒直徑大小，計(jì)算方法都一樣。因此，以直徑630 mm、許用合力最大的小直徑改向滾筒為例，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。此外，計(jì)算中所有滾筒筒皮的輻板均為內(nèi)焊接結(jié)構(gòu)，以確保滾筒結(jié)構(gòu)特征一致。

滾筒筒皮的力學(xué)性能離不開它與輻板及軸的整體組合力學(xué)特性，滾筒筒皮與軸的連接方式分為鍵連接和脹套連接兩種。這兩種方式可以通過兩種力學(xué)模型來分析，一種是輻板柔性連接力學(xué)模型(對(duì)應(yīng)鍵連接結(jié)構(gòu))，另一種是輻板剛性連接力學(xué)模型(對(duì)應(yīng)脹套連接結(jié)構(gòu))[1]。通過輻板不同連接方式時(shí)的力學(xué)模型可以看出：滾筒筒皮中點(diǎn)和靠近輻板處的應(yīng)力較大，這些地方是設(shè)計(jì)中需要注意的危險(xiǎn)點(diǎn)[4-5]。輻板不同連接方式時(shí)的力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 輻板不同連接方式時(shí)的力學(xué)模型

1.2 滾筒筒皮強(qiáng)度計(jì)算

結(jié)合使用經(jīng)驗(yàn)可知：只要保證靠近輻板處的滾筒筒皮強(qiáng)度(主要指應(yīng)力和厚度)合格，就能滿足設(shè)計(jì)要求。因此，需要對(duì)滾筒筒皮的應(yīng)力σ和厚度t兩個(gè)參數(shù)計(jì)算，計(jì)算式分別為

(1)

(2)

式中：T為滾筒受到的合張力，可通過整機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算得到，kN；D為滾筒直徑，根據(jù)膠帶強(qiáng)度和整機(jī)設(shè)計(jì)確定，mm；BW為兩輻板的中心距，可在設(shè)計(jì)手冊(cè)中查到，mm；t為滾筒筒皮厚度，mm；[σ] 為滾筒筒皮的許用應(yīng)力，取13 kg/mm2；K為計(jì)算系數(shù)，取值見表1[1,6-7]。

表1 計(jì)算系數(shù)K

依據(jù)式(1)、式(2)，結(jié)合DTII(A)型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中φ630 mm改向滾筒的設(shè)計(jì)手冊(cè)選型參數(shù)要求[8-9]，計(jì)算鋼板卷制筒皮的應(yīng)力和厚度，結(jié)果見表2。由表2可知：鋼板卷制筒皮的應(yīng)力計(jì)算值均大于許用值，因此其應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求；鋼板卷制筒皮的厚度計(jì)算值均小于設(shè)計(jì)值，由于選型參數(shù)的富余量較大，其厚度也能滿足使用要求[10]。

表2 鋼板卷制筒皮的應(yīng)力和厚度計(jì)算結(jié)果

1.3 無縫鋼管的選擇

與同等厚度的鋼板卷制筒皮相比，無縫鋼管筒皮一般采用整塊鋼材熱軋成型，無需焊接，也沒有焊縫，故其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更大，完全能夠滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。根據(jù)對(duì)鋼板卷制筒皮性能分析，應(yīng)該選用外徑630 mm的無縫鋼管作為滾筒筒皮。當(dāng)前市場(chǎng)上外徑630 mm的無縫鋼管有7種規(guī)格，其壁厚分別為10、12、14、18、20、25、30 mm。其中，壁厚18、20、25、30 mm的無縫鋼管均可滿足140B306滾筒筒皮厚度16 mm的要求。結(jié)合材料成本考慮，選擇外徑630 mm、壁厚18 mm的無縫鋼管，其外圓內(nèi)孔經(jīng)過加工后作為滾筒筒皮更合適。

2 加工工藝流程

以加工制造140B306小直徑改向滾筒筒皮為例，對(duì)比分析鋼板卷制筒皮和無縫鋼管筒皮的加工工藝流程。

(1)鋼板卷制筒皮的加工工藝流程為：鋼板下料(Ⅰ)—液壓卷管機(jī)卷筒(Ⅱ)—碳弧氣刨坡口(Ⅲ)—焊接(Ⅳ)—車兩端和坡口外圓(Ⅴ)。各個(gè)工序所需工時(shí)分別為：工序(Ⅰ)1 工時(shí)，工序(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅳ)12工時(shí)(3人4 h，同時(shí)作業(yè))，工序(Ⅴ)6工時(shí)(2人3 h，同時(shí)作業(yè))。

(2)無縫鋼管筒皮的加工工藝流程為：下料(Ⅰ)—車兩端和外圓(Ⅱ)。各個(gè)工序所需工時(shí)分別為：工序(Ⅰ)0.50 工時(shí)，工序(Ⅱ)4工時(shí)(2人2 h，同時(shí)作業(yè))。

與加工鋼板卷制筒皮相比，加工無縫鋼管筒皮省去了(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅳ)三個(gè)工序，可以節(jié)約12工時(shí)；在相同工序中，加工無縫鋼管筒皮還可節(jié)約2.50工時(shí)。此外，還可以節(jié)省液壓卷管機(jī)、刨坡口機(jī)和電焊機(jī)等設(shè)備，這些設(shè)備可以在其他地方創(chuàng)造財(cái)富。

3 生產(chǎn)成本

根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)格，以制造一個(gè)140B306小直徑改向滾筒筒皮為例，結(jié)合實(shí)際工時(shí)分配情況，并考慮車間之間的運(yùn)輸互轉(zhuǎn)費(fèi)用，對(duì)比分析兩種筒皮的生產(chǎn)成本(表3)。由表3可知：在原材料質(zhì)量相同的情況下，制造一個(gè)140B306小直徑改向滾筒筒皮，無縫鋼管的采購(gòu)成本較高，但其加工工序較少，各工序所需工時(shí)也較少，生產(chǎn)成本更低，能夠節(jié)約生產(chǎn)成本55.74元。

表3 兩種筒皮的生產(chǎn)成本計(jì)算結(jié)果

注：140B306滾筒筒皮的質(zhì)量為387 kg。

4 結(jié)論

通過對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)鋼板卷制筒皮的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足使用要求，而無縫鋼管筒皮的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大于鋼板卷制筒皮，因此無縫鋼管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也能滿足使用要求。

(2)加工無縫鋼管筒皮時(shí)可以省去卷筒、碳弧氣刨坡口、焊接三道工序，能夠節(jié)約14.50工時(shí)，滾筒筒皮生產(chǎn)周期大幅縮短。

(3)在制作相同質(zhì)量的滾筒筒皮時(shí),采用無縫鋼管的綜合成本更低。