宝钢集团新疆八一钢铁股份有限公司炼铁厂 新疆乌鲁木齐 830022
摘要：通过垂直胶带机弧形段托辊的宏观分析、微观分析、力学分析，解决弧形段托辊的故障，提供解决方案和依据，并取得明显效果。
关键词：垂直胶带机、弧形段托辊
1前言
垂直胶带机是欧冶炉原、燃料上料系统的咽喉，它由两条垂直运输机组成，两条皮带为波装挡边带、头部驱动轮、头部改向轮、弧形段托辊、尾部改向轮、尾部涨紧轮机、尾部水平段托辊、头尾机架组成。垂直胶带机安装依附在欧冶炉主体框架上，皮带自重约36吨。弧形段托辊在欧冶炉的生产过程中多次发生断轴和辊皮开裂现象，严重影响垂直胶带机的正常运行，从而影响欧冶炉的上料和欧冶炉的正常运行。
2现场调查
欧冶炉自2017年3月25日开炉至2017年6月底，垂直胶带机弧形段托辊断轴、开裂故障5次，其中断轴故障3次，开裂故障2次，。分别在2017年5月15日发生煤垂直胶带机弧形段托辊辊皮开裂故障，
3原因分析
3.1宏观分析
皮带运输机服役3个月后，其中一个托辊发生失效，托辊由托辊轴、轴承、辊筒、压盖等组成，辊筒与压盖通过焊接相连，此次托辊失效是在辊筒上靠近压盖处发生了开裂，压盖厚度为65mm，辊筒壁厚为10mm，现场只找到2块辊筒断裂碎片。
宏观观察，失效托辊的一端发生碎裂，托辊轴上有檫伤痕迹，其他部分无明显异常。现场提供的两块碎片显示，辊筒内壁上在压盖的外侧位置处有一道焊缝，焊缝高低参差不齐，坡口焊接面相对较平整，其中一块碎片上存在一条纵向裂纹。在辊筒碎片上切割取样后观察发现，辊筒焊缝附近的断面上都存在一道弧线。
3.2微观分析
3.2.1显微观察
将试样断面置于扫描电镜下观察，裂源在焊缝上，焊缝附近一道弧线内的区域为疲劳裂纹扩展区，断面形貌呈疲劳辉纹，弧线外为最终破断区，断面形貌呈韧窝
3.2.2成份分析检测
对碎片采用便携式直读光谱仪进行化学成份分析，参照《世界钢号手册》，托辊辊筒的成份相当于国内牌号Q235。
3.2.3硬度检测
检测结论：1.焊缝硬度实测值（HB）：252、268
2.热影响区硬度实测值（HB）：164、183
3.母材硬度实测值（HB）：154～169
3.3力学分析
3.3.1垂直胶带机张力的计算
选取负荷大，提升高度高的矿垂直胶带机进行张力计算
计算公式最大负载力F=CFH+Fst
C为附加阻力系数（可以查手册选取C=1.8）
FH为主要阻力FH=fgL(q1+q2+2qb+Qg)
FH=0.035×9.81×13.3(15+17+220)=2507N
Qg为每米物料的质量Qg=Q/3.6V=610t/h÷(3.6×2.2m/s)=77.02kg/m
f模拟摩擦系数，根据工作条件及制造、安装水平选取（可以查手册选取f=0.035）
L输送机长度（垂直胶带机水平长度根据图纸L=13.3m）
H为提升高度（垂直胶带机提升高度根据图纸H=110m）
g=9.81
q1承载分支托辊每米长旋转部分质量（根据图纸重量15kg/m）
q2回城分支托辊每米长旋转部分质量（根据图纸重量17kg/m）
qb每米长输送带的质量（根据胶带厂家提供的参数qb=220kg/m）
Fst为垂直提升阻力Fst=g*Qg*H=9.81×77.02×110=83113N
根据上述参数计算出最大负载力如下：
F=CFH+Fst=1.8×2507+83113=87625N
输送带最大张力
Smax=S0+F+gqbH
S0≥5(qb+g)Lg=5×（220+9.81）×110×9.81=123993.985N
矿石垂直皮带机输送带张力
Smax=123993+87625+9.8×220×110=448778N≈449KN
根据以上公式可以算出煤垂直胶带机张力：
煤垂直皮带机输送带张力Smax=345KN
3.3.2托辊受力分析计算
选取矿石垂直皮带机中受力最大的辊子为例分析：
Ft为切向应力；Fr为轴向应力；F为张力（其中胶带及物料重量T有10个辊子一起承受，取其中受力最大的第三个辊子分析）
F=T/10×&（&为系数我们取&为1.2）采用计算出的最大张力
Fr=F*sin60
根据《机械设计手册》圆筒危险点计算公式：
à1=-Fr/1-k²(封闭圆筒)
à2=-2Fr/1-k²
à3=2Fr/1-k²
àm=2Fr/1-k²×àpt/àpc
àpt=àbt/Sàpc=àbc/S
k=R1/R2
à3、àm分别为按第三强度理论和莫尔强度理论计算的相当应力；
àbt、àbc分别为拉伸和压缩时的强度极限；
S为安全系数；
àpt、àpc分别为拉伸与压缩时的需用应力；
根据以上公式我们可以得出R2-R1≥15即壁厚要大于15mm。根据材料的特性（单纯的增加壁厚并不能提高圆筒的承载力，而却增加壁厚将使圆筒内、外侧的应力相差更大，使圆筒外侧的大部分材料不能充分利用）和圆筒外径270mm，查《材料力学》可以得出本托弧段托辊的最佳壁厚为20-25mm。
4结论与改进方案
从上述结果可知，托辊辊筒的成份相当于国内牌号Q235，冲击试验结果表明托辊辊筒的冲击韧性较好。托辊的筒体母材组织为铁素体，珠光体；焊缝组织为呈柱状晶组织形态分布的铁素体，回火索氏体；热影响区组织呈魏氏组织形态分布的铁素体，珠光体；焊缝面积相对较小。
托辊辊筒的断口形貌显示，开裂起始于焊缝处，焊缝附近区域（弧线内）为疲劳裂纹扩展区，弧线外为破断区，呈韧性撕裂特征。
发生断裂失效的托辊位于皮带运输机的改向处，该部位的托辊所受的力相对较大。当皮带运输机运行时，会出现输送带跑偏、托辊径向跳动和偏载等现象，影响到辊筒正常的受力状况，位于皮带运输机改向处托辊所受到的影响尤为严重。托辊辊筒与压盖之间通过“T”型坡口焊接相连接，而焊缝相对于压盖厚度而言面积较小，可能会造成压盖与滚筒之间的结合力冗余不足，在辊筒受到异常作用力的情况下，导致通过焊接相连的辊筒与压盖发生分离。压盖分离后的辊筒在复杂的交变载荷作用下，容易在焊缝薄弱环节产生疲劳裂纹，并向周围扩展。当疲劳裂纹发展到一定程度，辊筒发生撕裂，裂纹穿透至辊筒外壁，并沿着筒体纵向扩展。相邻两条裂纹之间的这部分辊面依靠两端（一端搭在压盖上，另一端为相连的辊筒）承受载荷，当纵向裂纹扩展到一定程度，相连的辊面无法承受载荷时，辊面发生断裂。
根据上述的分析结果确定改进方案如下：
1，辊皮厚度不能满足托辊的要求，增加辊皮厚度增加至20mm以上。,
2，重新选用轴材料，采用42CrMo调质处理，提高轴的整体机械性质，同时该材料在加工过程中质量更容易控制，进一步提高轴的安全系数。
3，修改倒角形式减少应力集中。
4，加大轴的直径，提高轴的安全系数。
改造图纸如下：。
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5结束语
通过垂直胶带机弧形段托辊的分析及改进方案的实施，再未发生弧形段托辊影响垂直胶带机的情况，保证了垂直胶带机的正常运行。同时通过分析的过程使垂直胶带机设备的改进和稳定运行提供了方法和借鉴，
参考文献
[1]《世界钢号手册》.
作者简介
彭银加，男，本科，工程师，pengyj@bygt.com.cn。