李 仟

(神東煤炭集團(tuán)皮帶機(jī)公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

帶式輸送機(jī)具有運(yùn)量大、加工成本低廉、維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，煤礦用帶式輸送機(jī)使用量越來(lái)越大，人們對(duì)膠帶機(jī)產(chǎn)品的使用工況、產(chǎn)品性能的要求也越來(lái)越高。帶式輸送機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)也應(yīng)逐漸向低碳、節(jié)能、高效、綠色、智能化機(jī)型轉(zhuǎn)變，以滿足長(zhǎng)距離、大運(yùn)量的發(fā)展需求[1]。

托輥是帶式輸送機(jī)應(yīng)用數(shù)量最多的部件，重量約占整機(jī)的35%，價(jià)值30%左右，膠帶機(jī)完成一個(gè)開采工作面后，大量的托輥報(bào)廢，無(wú)法使用，經(jīng)濟(jì)損失巨大，托輥質(zhì)量的好壞直接影響整條膠帶機(jī)的使用性能[2-4]。

1 普通托輥的組成及失效原因分析

普通托輥主要由筒皮、密封、軸、軸承、軸承座、軸擋等附件組成[5-8]?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)托輥普遍采用Q345B焊管，60000型系列滾動(dòng)軸承、沖壓式軸承座、迷宮密封等附件。托輥整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 托輥筒皮、軸及軸承座

在托輥運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，軸承座和筒皮受不同程度的交變應(yīng)力作用，因疲勞失效導(dǎo)致?lián)p壞，則托輥軸失效原因?yàn)槔稊嗔咽?。通過(guò)大量的實(shí)踐計(jì)算得出，托輥軸、筒皮、軸承、軸承座這些附件不會(huì)同時(shí)失效，作為單個(gè)附件時(shí)使用年限都特別長(zhǎng)，也都能滿足使用要求。但當(dāng)它們作為附件共同組成托輥時(shí)，單一附件的失效就會(huì)引起連帶失效。例如，托輥筒皮很難斷裂，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的磨損影響托輥的同軸度，同軸度降低后托輥的各項(xiàng)性能指標(biāo)如徑向跳動(dòng)也會(huì)隨之下降，隨著托輥筒皮性能失效后托輥的整體性能指標(biāo)也將無(wú)法滿足使用要求。同時(shí)，筒皮使用的鋼管本身的加工質(zhì)量對(duì)托輥的使用壽命也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

1.2 密封件、鋰基脂及軸承的失效

密封件的失效：目前，托輥的密封大部分采用迷宮密封，即在密封內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)污染物存儲(chǔ)區(qū)域，當(dāng)雜質(zhì)進(jìn)入托輥后，托輥通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)將雜質(zhì)旋轉(zhuǎn)甩入污染物存儲(chǔ)區(qū)域有效存儲(chǔ)，從而延長(zhǎng)污染物進(jìn)入軸承附件的時(shí)間，圖2為迷宮密封簡(jiǎn)圖。這種密封可以短時(shí)間起到良好效果，當(dāng)托輥長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)域的污染物越來(lái)越多。當(dāng)托輥無(wú)法通過(guò)離心力的作用積存更多的污染物時(shí)，托輥軸承也就會(huì)受到污染，將會(huì)影響軸承的整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)，這也將導(dǎo)致托輥的旋轉(zhuǎn)阻力增大，影響托輥的使用性能和壽命。

鋰基脂失效：托輥軸承中填充鋰基脂，在使用過(guò)程中鋰基脂的性能也會(huì)產(chǎn)生一定的變化。這主要是由于：①鋰基脂經(jīng)過(guò)反復(fù)的剪切力作用結(jié)構(gòu)改變；②潤(rùn)滑脂基油逐漸氧化；③塵埃和水分等雜質(zhì)的侵入；④基油的蒸發(fā)及脂的泄漏等的影響。基于以上原因，鋰基脂潤(rùn)滑效果不良，軸承反復(fù)摩擦滾動(dòng)面溫度增高將會(huì)發(fā)生灼傷，這種現(xiàn)象就是鋰基脂失效導(dǎo)致軸承失效。為確保鋰基脂的使用效果，應(yīng)選擇合理的型號(hào)且質(zhì)量合格的潤(rùn)滑脂。

軸承的失效：導(dǎo)致托輥軸承失效的原因較多，密封效果不良導(dǎo)致污染物進(jìn)入軸承破壞軸承的潤(rùn)滑系統(tǒng)；軸承本身存在疲勞失效；筒皮、軸等附件不同心及鋰基脂潤(rùn)滑效果不良等等。這些因素都將導(dǎo)致托輥的使用壽命低于軸承本身的使用壽命。

軸承失效的原因：①鋰基脂注入量低于軸承空隙的2/3，軸承中的油脂流失、變質(zhì)后，軸承處于干摩擦運(yùn)行狀態(tài)，從而加快軸承的損壞；②外界的水和潮濕空氣等雜質(zhì)侵入軸承，使軸承內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)腐蝕，無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng);③托輥密封效果不良，雜質(zhì)大量進(jìn)入軸承，軸承不能轉(zhuǎn)動(dòng)；④軸承加工質(zhì)量不合格及在托輥加工過(guò)程中軸承裝配不合格。由以上分析可知，托輥的密封系統(tǒng)影響著潤(rùn)滑脂的性能，潤(rùn)滑脂的性能影響著軸承的使用壽命。

2 托輥性能指標(biāo)

2.1 運(yùn)行阻力系數(shù)

托輥運(yùn)行阻力系數(shù)是反應(yīng)帶式輸送機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵，軸承的型號(hào)種類、游隙、填充鋰基脂型號(hào)、密封結(jié)構(gòu)等因素都將對(duì)托輥的旋轉(zhuǎn)阻力產(chǎn)生一定的影響。托輥加工裝配精度不同旋轉(zhuǎn)阻力值也不同，普通托輥的旋轉(zhuǎn)阻力一般在3 N左右，低阻托輥?zhàn)枇梢越档?.2 N以下，運(yùn)行阻力增大后托輥轉(zhuǎn)動(dòng)不靈敏，甚至?xí)兂苫瑒?dòng)，嚴(yán)重影響帶式輸送機(jī)的功耗，也會(huì)磨損膠帶機(jī)的帶面，降低整機(jī)的使用壽命，這將增加礦井單位對(duì)膠帶機(jī)使用維護(hù)成本，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成停產(chǎn)事故。除此之外，帶式輸送機(jī)的運(yùn)行阻力與輸送帶帶面種類、鋼結(jié)構(gòu)架體重量和物料的變形阻力有直接的關(guān)系。

2.2 托輥的徑向跳動(dòng)及軸向竄動(dòng)

托輥徑向跳動(dòng)值對(duì)高速運(yùn)行的膠帶機(jī)影響很大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響膠帶機(jī)的運(yùn)行。一般允許范圍是0.5～1.9 mm，也與筒皮直徑有關(guān)。同時(shí)，徑向跳動(dòng)越大托輥產(chǎn)生的噪聲也會(huì)增大，減小徑向跳動(dòng)的方式是采用質(zhì)量好的無(wú)縫鋼管、圓錐輥?zhàn)虞S承。同時(shí)應(yīng)符合GB/T 10595和MT821的規(guī)定，具體要求應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 徑向跳動(dòng)

在托輥受軸向荷載力時(shí)，托輥軸也會(huì)產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，竄動(dòng)值要小于規(guī)定數(shù)值。

2.3 托輥重量

托輥越重，運(yùn)行阻力越大，同時(shí)還會(huì)影響輸送機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，電動(dòng)機(jī)的功率消耗，輸送帶及托輥?zhàn)陨淼膲勖?。托輥越重，啟?dòng)和運(yùn)行托輥所需的功率越大，雖然旋轉(zhuǎn)一個(gè)托輥所需的功率不大，但在運(yùn)行距離達(dá)到6 000 m膠帶機(jī)上，托輥數(shù)量在16 000個(gè)左右，帶動(dòng)大量托輥轉(zhuǎn)動(dòng)需要耗費(fèi)很大的驅(qū)動(dòng)功率，所以在對(duì)長(zhǎng)距離膠帶機(jī)的開發(fā)過(guò)程中，托輥重量是必須要考慮的因素。托輥減重、鋼結(jié)構(gòu)架體輕型化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員必須要考慮的技術(shù)指標(biāo)，可有效降低膠帶機(jī)拆裝、搬運(yùn)時(shí)的人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 提高托輥壽命的措施

開發(fā)長(zhǎng)壽命托輥是現(xiàn)代化膠帶機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此可以通過(guò)改變密封結(jié)構(gòu)、使用專用軸承、減少加工誤差、采用輕型材料減重降阻等措施提高其使用壽命。

3.1 采用組合式密封

繼接觸性密封和迷宮式密封設(shè)計(jì)形式下創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一種新的密封結(jié)構(gòu)—組合式密封，該密封在出廠時(shí)組裝完成不需要托輥生產(chǎn)單位分步壓裝，一次壓裝后密封自動(dòng)打開間隙，回彈。密封采用非金屬材料，在壓裝時(shí)可以利用自身的材料特性打開合適的密封間隙，減小旋轉(zhuǎn)阻力。同時(shí)將密封組件過(guò)盈的壓裝在托輥軸承座內(nèi)，可不影響密封間隙。組合密封具有一定的低阻性能，防水、防塵效果也好于迷宮式密封，能有效地避免雜質(zhì)污染軸承。與托輥裝配后浸水試驗(yàn)指標(biāo)不大于40 g，保證托輥5萬(wàn)小時(shí)壽命的密封有效性。

3.2 采用專用低阻軸承

采用C3游隙專用低阻軸承代替普通軸承，軸承出廠前注油，在出廠以后無(wú)需注油和維護(hù)，避免托輥生產(chǎn)過(guò)程中因不按工藝要求注油，導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量問題。從結(jié)構(gòu)上分析，托輥專用低阻軸承使用壽命遠(yuǎn)大于圓錐輥?zhàn)虞S承使用壽命，托輥旋轉(zhuǎn)阻力也會(huì)大幅度降低，使用壽命可達(dá)5萬(wàn)小時(shí)以上。低阻軸承使用PA66+玻璃纖維非金屬保持架，在出廠前注油，出廠后產(chǎn)品全壽命無(wú)需注油及維護(hù)，且填充的油脂量少于普通軸承，以降低托輥旋轉(zhuǎn)阻力。

3.3 減少加工制造誤差

目前加工工序有原材料準(zhǔn)備、切管、車止口、軸承座壓裝、焊接、軸承壓裝、密封壓裝、調(diào)整、車溝槽、安裝軸擋、涂漆、打包、標(biāo)識(shí)入庫(kù)。加工質(zhì)量是影響托輥質(zhì)量的重要因素，部分托輥生產(chǎn)廠家的加工工藝和設(shè)備精度不能保證設(shè)計(jì)要求，造成旋轉(zhuǎn)阻力增大甚至不能轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，只有改進(jìn)加工工藝和更新設(shè)備才能制造出高質(zhì)量的托輥，同時(shí)確保每一道工序都能按照工藝標(biāo)準(zhǔn)加工，減少累計(jì)誤差，通過(guò)設(shè)計(jì)專用的工裝卡具減少加工制造誤差，提高產(chǎn)品質(zhì)量。此外，設(shè)計(jì)專用加工工裝，采用專用壓裝頭一次性將密封壓裝到位，定程壓裝精度高，可有效控制軸竄，提高托輥可靠性能，降低徑跳指標(biāo)，進(jìn)一步達(dá)到降阻、延長(zhǎng)使用壽命的目的。

3.4 減重降阻的措施

軸承：與軸承廠家合作，提升軸承加工精度、確定軸承材料選型、表面硬度、工作游隙，并通過(guò)油脂填充和優(yōu)化軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)等措施實(shí)現(xiàn)軸承靜音，在軸承不受污染的情況下由8萬(wàn)小時(shí)提高到12萬(wàn)小時(shí)。裝配后整體提高托輥的使用壽命，確保在井下運(yùn)行時(shí)達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)。

輥殼：采用輥殼薄、重量輕、耐磨性好的鋼制材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊縫鋼管，提高耐磨性、耐腐蝕性，降低托輥?zhàn)陨硇D(zhuǎn)重量及旋轉(zhuǎn)阻力，保證托輥壽命10萬(wàn)小時(shí)運(yùn)行時(shí)間。不銹鋼具有良好的冷熱加工性能，各項(xiàng)物理性能指標(biāo)接近碳鋼，該材料用作托輥筒皮具有管體薄、重量輕、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)。筒皮重量減輕后，托輥?zhàn)陨硇D(zhuǎn)重量及旋轉(zhuǎn)阻力將相應(yīng)的降低，最終達(dá)到整機(jī)降阻的目的。

軸：提高軸的加工質(zhì)量，軸的不圓度對(duì)托輥的旋轉(zhuǎn)阻力和徑向跳動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生很大的影響，選用機(jī)加性能好、抗彎能力、直線度、同軸度優(yōu)的托輥軸可以有效地降低托輥的徑跳值。

軸承座:優(yōu)化軸承座材料，提升強(qiáng)度、減少厚度，降低旋轉(zhuǎn)重量，從而降低阻力。

提高裝配質(zhì)量與加工精度：采用精度可靠的加工設(shè)備、制定完善加工工藝、確保材料入場(chǎng)檢驗(yàn)合格，有效控制過(guò)程檢驗(yàn)，達(dá)到產(chǎn)品合格率，從而降低徑跳指標(biāo)，進(jìn)一步達(dá)到降阻、延長(zhǎng)使用壽命的目的。軸承座焊接過(guò)程要采用雙頭自動(dòng)焊接機(jī)床，確保筒皮的同軸度，在生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)禁用手錘敲打筒皮、壓裝過(guò)程中要選取合適的壓裝壓力。要想生產(chǎn)出優(yōu)良的托輥就必須加強(qiáng)過(guò)程控制檢驗(yàn)手段，確保每一道工序都能滿足工藝要求，另外成品托輥在運(yùn)輸存儲(chǔ)的過(guò)程中也要加以保護(hù)，多管齊下才能確保出品高質(zhì)量的托輥。

4 結(jié)語(yǔ)

普通托輥主要問題是：使用壽命短；運(yùn)行阻力系數(shù)大；密封效果差；結(jié)構(gòu)不合理；潤(rùn)滑和受力性能不好；加工制造精度不高。隨著長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、低碳、智能膠帶機(jī)開發(fā)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，普通托輥已無(wú)法滿足現(xiàn)階段的市場(chǎng)需求，為此迫切需要研制輕型低阻力托輥，通過(guò)降低單只托輥重量和旋轉(zhuǎn)阻力進(jìn)而降低帶式輸送機(jī)整機(jī)重量和運(yùn)行阻力，同時(shí)延長(zhǎng)托輥使用壽命，大幅度減少維修費(fèi)用，減少礦井對(duì)托輥的資金投入量，提高帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性，有效地提高所配套帶式輸送機(jī)運(yùn)行效率。對(duì)帶式輸送機(jī)的研究、設(shè)計(jì)及生產(chǎn)單位實(shí)施帶式輸送機(jī)托輥技術(shù)創(chuàng)新有一定的借鑒意義。

托輥失效的原因是密封失效引起軸承失效，軸承失效引起托輥失效。同時(shí)托輥輥殼材質(zhì)、密封形式、軸承種類及軸承座的加工精度和托輥的同軸度對(duì)托輥使用壽命的影響也很大。因此在保證加工精度、減小旋轉(zhuǎn)阻力的基礎(chǔ)上，從根本上改變密封結(jié)構(gòu)提高密封性能，輔以采取新型材料減輕托輥重量是延長(zhǎng)托輥使用壽命的直接有效手段。實(shí)現(xiàn)托輥長(zhǎng)壽命、低阻力，從而提高帶式輸送機(jī)的使用性能，還可以收到顯著的節(jié)能降耗效果。托輥是膠帶機(jī)的關(guān)鍵組成部分，對(duì)膠帶機(jī)的影響巨大，通過(guò)對(duì)托輥性能指標(biāo)分析，在現(xiàn)有礦井，若能將托輥的使用壽命提高10萬(wàn)小時(shí)左右，減少托輥的使用損壞率，將會(huì)創(chuàng)造很高的經(jīng)濟(jì)效益。