煤礦立井提升機大直徑滾筒裂紋修復研究

李福勇，張傳明，齊學海，趙明偉

山東能源新礦集團公司 山東泰安 271219

目 前國內礦井大量采用摩擦式多繩提升機進行提升，滾筒作為提升機的重要組成部分，其設計年限應與礦井服務年限相近。但考慮滾筒的設計、材料的選用、加工的缺陷、現場的使用以及后期的維護，滾筒鐵板可能出現疲勞，甚至出現裂紋。若發現不及時，可能造成提升容器墜落，造成嚴重后果。筆者論述了滾筒出現裂紋后對滾筒的修復工作，以及因裂紋修復后造成的閘盤偏擺的調整方法，為多繩摩擦式提升機滾筒的維修工作提供了經驗。

1 背景概述

1.1 提升機參數

某煤礦設計生產能力為 600 萬 t/a，核定生產能力為 780 萬 t/a，原煤提升主要由 1、2 號 2 臺主井提升機完成，提升機由國外某公司進行設備成套集成。提升機型號為 JKM4.5×6，滾筒和導向輪直徑均為 4.5 m；電動機額定功率為 4 800 kW，額定電流為 2×464 A，轉速為 53 r/min，交-直-交變頻系統；提升高度為 834.4 m；制動形式為液壓盤式閘；最大提升速度為12.48 m/s，最大提升能力為 874 t/h；提升容器為一對32 t 多繩箕斗。

1.2 滾筒裂紋說明

1、2 號提升機滾筒均采用剖分式滾筒，對口使用螺栓固定，包括卷筒對口螺栓、輔板夾板緊固螺栓、輔板對口耳子螺栓以及主軸法蘭連接螺栓。其中，輔板對口耳子螺孔、法蘭與輔板連接均采用焊接方式。截止到發現裂紋時，1 號主井滾筒共計使用148個月，提升原煤約 4 000 萬 t；2 號主井滾筒共計使用 127個月，提升原煤約 3 600 萬 t。2020 年 5 月巡查時發現，1 號提升機滾筒在運行時發出規律的異響，停車檢查時發現滾筒 2、3、4 號輔板各出現一處裂紋，長度分別為 550、400、130 mm；2 號主井滾筒卷板對口位置有一處裂紋，長度為 1 200 mm。

2 滾筒裂紋有限元分析

裂紋出現在輔板及卷板位置。利用應力檢測儀檢查發現，裂紋周圍板材上所受的內應力要大于其他位置，采用有限元分析法對比分析滾筒開裂前后所受應力。原始設計無裂紋、正常滿載提升時，提升機載重 32 t，滾筒的應力分布如圖 1 所示。出現裂紋后，卷筒帶上述尺寸的裂紋、減載工況下，提升機載重 20 t，滾筒的應力分布如圖 2 所示。

由圖 1 可知，無裂紋情況下，端板和卷筒筒殼連接處應力在 15 MPa 左右。

由圖 2 可知，滾筒帶裂紋工作后，產生了新的裂紋。在載荷分布的半卷筒中間位置，裂紋長約 150 mm，端點距端板 70 mm，出現在滾筒應力集中點附近。為了更清晰地顯示裂紋處的應力情況，端板未顯示。在裂紋兩端存在局部應力集中，裂紋周圍的應力等級和無裂紋時的應力級別類似，約為 15 MPa。

3 裂紋修復

3.1 焊條的選擇

焊接低合金鋼時，焊接材料的選用應考慮滾筒材料的化學成分和性能 (包括焊接性)、坡口型式、結構和接頭受力的大小等綜合因素。焊接材料的特性按滾筒力學性能相同或接近原則進行選配。焊縫金屬強度不宜過高，通常控制在不低于或略高于母材強度，可根據被焊材料抗拉強度等級來選擇相應強度等級的焊條。對于焊縫性能要求高的重要結構，或容易產生裂紋的鋼材更應如此。同時，在焊接過程中，焊條不應產生過多的煙霧或過大的飛濺。綜合考慮，最終選用J506 焊條，利用交流電焊機，采用手工電弧焊。

3.2 坡口處理

為保證滾筒焊縫的有效厚度和根部焊透，改善焊縫成形，在滾筒襯板上開 X 形坡口。坡口采用碳刨方式，兩側先后碳刨，外側碳刨深度大于母板的 1/2，用砂輪對坡口打磨至有金屬光澤。焊接完成后，內側進行碳刨，碳刨深度同樣大于母板的 1/2，露出外側焊縫。打磨后，采用著色探傷及超聲波探傷兩種方式檢測是否存在缺陷；若存在缺陷，繼續碳刨或用磨光機打磨，直至消除缺陷。

3.3 引弧

手工電弧焊中，常用的引弧方法有劃擦法和直擊法，本次采用劃擦法。若引弧處滾筒鋼板溫度較低，焊條藥皮還未充分發揮作用，會使引弧點處焊縫較高，熔深較小，易產生氣孔。為解決該問題，應在焊縫起始點后 10 mm 處引弧，引弧后迅速將電弧引至起始點處進行預熱，預熱后將電弧壓短，焊條弧長為焊條直徑的 0.5 倍左右進行焊接。這樣可使電弧在二次經過時，將引弧部位金屬重新熔化，消除氣孔。

3.4 焊接

焊接所用焊條無破損，按照規定溫度進行烘干。為防止焊條端部裸露不均，在焊件前用銼刀加工，防止引弧時使藥皮大塊脫落，影響焊接質量。焊接時將整條焊縫分成 100～200 mm 小段，采用鋸齒形運條焊法，連續擺動并向前移動。根據滾筒的厚度，一是焊條與焊接前進方向的夾角為 65°左右，二是焊條與滾筒一側夾角大于焊件一側的夾角，使滾筒焊縫厚度和寬度均勻。滾筒熔池中的鐵水與熔渣保持 2 mm 距離，焊接電弧長度為 2～ 3 mm。短弧操作，直線運條。為防止連續焊接引起過燒，每焊一層，稍停，待溫度降低到 250～ 300 ℃ 時，再接焊下一層，以有效降低焊縫收縮應力。

3.5 收弧

采用畫圈收弧法，當焊條至焊縫終點時，做圓圈運動填滿弧坑。收弧不能過快，否則熔池中的氣體來不及逸出，導致在弧坑處出現疏松、裂紋、氣孔和夾渣等。應將焊條返回焊接 10～ 15 mm，然后抬高電弧直至熄滅。

3.6 保溫消除焊接應力

受現場條件限制，焊接后，采取石綿毯保溫至80 ℃，然后使用丙烷噴燈加熱至 180～ 200 ℃。覆蓋石綿毯以減緩溫度下降的速度，消除部分內應力。

4 修復后滾筒的有限元分析

采用焊接的方法，在裂紋處卷筒外殼和內側加焊肋板，增強裂紋處的局部強度。增加肋板修復后，提升機載荷 20 t 的工況下，滾筒的應力分布如圖 3 所示。為了更清晰地顯示裂紋處的應力情況，端板及內側肋板未顯示。

由圖 3 可知：在肋板處，筒殼的應力等級有所降低，肋板處的應力小于 10 MPa；肋板外部，即在筒殼和端板連接處，應力還在 15 MPa 左右。可見，在裂紋處加焊肋板，可以改善裂紋處筒殼的受力情況。

5 長焊縫焊接引起的變形處理

5.1 變形數據測量

裂紋位于卷板一側 150～ 200 mm 范圍內，裂紋長度為 1 200 mm，長度較長，焊接后出現滾筒寬度收縮現象。在制動閘全部打開、滾筒閘盤不受外力影響下，利用百分表測量閘盤偏擺情況，結果如表 1 所列。根據測量結果繪制閘盤變形曲線，如圖 4 所示。

表1 閘盤偏擺測量結果Tab.1 Measurements of deflection of brake disc mm

綜合測量結果可知：在 7～ 19 號范圍內，閘盤整體變形較大，且變形量都呈內縮現象。

5.2 閘盤偏擺調校

提升機制動系統中，閘盤的性能直接影響制動效果。如果閘盤偏擺超標，則閘瓦間隙不一致，造成制動力波動劇烈，嚴重影響提升機的安全可靠性。根據AQ 1014—2005 規范[8]要求：制動盤的端面跳動不允許超過 1.0 mm。在焊接后，滾筒實際端面跳動最大值達到 3.55 mm，超過了相關要求，提升機閘盤偏擺開關動作，無法正常開車。

根據現場情況，研究了火焰烘烤法和墊片調整法兩種方案。因火焰烘烤法無法做到人為控制，其結果也無法預測，最終采用墊片調整法。

從偏擺測量數據發現，12 號測點的變形量最大，兩側呈非線性減小趨勢。通過計算確定墊片厚度，在閘盤與滾筒間墊入不同厚度的銅皮墊片。根據閘盤螺栓緊固力矩要求緊固螺栓，多次嘗試后，最終調整閘盤最大偏擺至 0.75 mm，符合 AQ 1014—2005 要求。再次啟動后，偏擺開關不動作，提升機恢復正常運轉。

6 結論

(1) 采用加焊加強肋的方案對滾筒修復后，經過3個月的運行，提升機滾筒運行正常，未出現異常振動、聲響。

(2) 長裂紋修復時，應提前采取防止滾筒變形的方案，防止焊接修復后滾筒出現變形的情況。

(3) 因滾筒變形造成閘盤偏擺量不大于 4 mm 時，可采取增加墊片法減少閘盤偏擺。此方案更容易控制，且能取得相對較好的結果。