超高分子量聚乙烯托輥的理論研究

李惠

摘 要：普通金屬托輥產品僅適用于一般生產場合要求，而在對噪聲、靜電要求較高的礦井，使用壽命長則6個月，短則1個月，給生產帶來了極大的制約和危險，安全事故頻頻發生，造成較大的損失，同時能耗較高。鑒于托輥的使用數量和消耗能源的巨大性，對傳統金屬托輥的改造迫在眉睫。據此，我們根據國內外技術現狀，在普通金屬托輥的基礎上，通過技術、結構、工藝設備等創新，研制超高分子量聚乙烯托輥。文章主要介紹了對超高托輥理論研究的幾個方向，對下一步托輥試制及以后的生產做好準備。

關鍵詞：超高分子量聚乙烯；玻璃微珠；改性

1 現狀

托輥是帶式輸送機上的重要部件和易損件，其質量好壞直接決定帶式輸送機的使用壽命和成本多少。目前國內外帶式輸送機中普遍使用金屬托輥，它存在使用壽命短（約3萬h）、運行阻力大、托輥重量重、運行噪音大等缺點。

非金屬高分子托輥是近年出現的一種新型產品，它是目前帶式輸送機行業對托輥向輕型化、超耐磨性要求和發展方面最理想的代替產品，國外此類產品開發的較早。我們國家近年有些企業也在開發高分子托輥產品，但一直沒有形成統一的標準和規模。

我公司帶式輸送機上的托輥，現在使用的是鋼制的，結構較復雜，不易維修，其使用壽命一般只有3個月，使用中還容易“卡殼”，易銹蝕，故障率高。為此，我公司準備用超高分子量聚乙烯塑料（UHMW-PE）制造皮帶運輸機上的托輥。由于超高分子量聚乙烯塑料具有很好的耐沖擊、耐磨、耐腐蝕、自身潤滑、吸振等特性，制成的超高分子量聚乙烯塑料托輥，其耐磨性好，使用壽命是鋼托輥的3～4倍；由于有自潤滑功能，可以不用滾動軸承，因而也不會發生“卡殼”，故障率低；耐腐蝕性能好，在潮濕和有浸蝕性環境下作業比鋼制托輥更具優越性。但該產品不耐高溫，工況溫度應在低于90℃下使用，在有防爆要求的工況下，必須采取有效的防靜電及阻燃技術措施。

2 超高分子量聚乙烯托輥研究方向

在皮帶機運量和帶速確定的情況下，膠帶的水平運行阻力的大小主要取決于托輥的阻力系數，因此，非金屬輕型化托輥的開發主要在于：降低托輥阻力系數，同時可以提高托輥使用壽命、改善皮帶機整機運行條件和減輕工人的勞動強度。超高分子量聚乙烯托輥的優異的綜合性能使它成為鋼托輥的最佳的替代品。

2.1 性能

2.1.1 耐磨損性能

超高分子量聚乙烯（U HMW 2PE） 是一種新型的工程塑料， 它具有耐磨損、耐腐蝕、耐沖擊性能， 自潤滑為銅的數倍。

2.1.2 沖擊性能

超高分子量聚乙烯的沖擊強度是既存塑料中最高值， 即使在- 70℃時仍有相當高的沖擊強度。

2.1.3 自潤滑

超高分子量聚乙烯具有很好的自潤滑性能， 摩擦系數小， 如表1 所示。

表1 幾種材料摩擦系數的比較

2.1.4吸水率

超高分子量聚乙烯的吸水率在工程塑料中是最小的（見表2 所示）。

表2 幾種常見工程塑料的吸水率（%）

2.1.5 機械性能

表3 是超高分子量聚乙烯的機械性能與尼龍的比較。

表3 超高分子量聚乙烯和尼龍的機械性能

2.2針對超高分子量聚乙烯的特性， 結合鋼托輥的生產經驗，進行以下幾方面的研制。

2.2.1 超高分子量聚乙烯托輥輥殼研究方向

超高分子量聚乙烯雖然有許多優良特性但也有許多不足：硬度低、強度低、耐熱性能差、有蠕變性等，為了彌補這些不足和進一步提高其耐磨性可對其進行填料（超細玻璃微珠、二硫化鉬、滑石粉、玻璃纖維、碳纖維、聚四氟乙烯）改性。

綜合考慮比對各種添加劑對超高分子量聚乙烯性能的影響，我們采用玻璃微珠對超高分子量聚乙烯進行改性。玻璃微珠具有導熱系數低、質輕、無毒、化學性能穩定、耐高低溫、電絕緣性和熱穩定性好等特點，而且在聚合物中的分散性也比較好。玻璃微珠與碳纖維相比，它是一種成本低廉、性能優良的理想塑料填料，利用粉煤灰中的玻璃微珠不但能改善塑料等高聚物的綜合性能、降低成本，而且能減少環境污染，變廢為寶，利國利民。超細玻璃微珠添加到超高分子量聚乙烯中后，分散均勻，使其耐磨性好、應力集中小、沖擊強度下降緩慢、硬度大、并能提高其剛度、抗壓性、阻燃性、提高加工性能等。通過參照劉光建老師的相關實驗，結合托輥生產經驗，制定超高分子量聚乙烯與玻璃微珠之間的配比，使改性后所形成的托輥輥殼能夠滿足實際使用的需要，并較鋼托輥有很大的改進。

2.2.2 托輥軸承座研究方向

托輥現在使用的軸承座是碳素結構鋼，重量較大，托輥的運行阻力相對也較大。如采用高分子材質的軸承座，不僅能夠降低托輥的重量，同時減小它的運行阻力。ABS樹脂具有良好的耐熱耐磨性、抗沖擊強度高、表面硬度高、尺寸穩定、及電性能良好等特點，鑒于它優良的綜合性能，采用ABS軸承座替代現用的軸承座，并通過對它結構的改進設計，不僅降低了托輥的總重量，減小托輥的運行阻力，從而提高托輥的整體性能。

2.2.3 提高托輥加工工藝可靠性研究方向

目前公司托輥生產的工藝比較老化，大多工序都要人工進行操作，誤差較大，產品的可靠性和精度較差。因此，新型托輥要與國內外相關廠家聯合開發國際最先進的全自動輕型托輥生產線，實現主輔分離、全自動加工轉接裝配，輔線以軸、軸承座全自動加工中心為主，主線完成托輥的全自動裝配。配件實現高精度加工，托輥采用定程壓裝、全自動焊接和裝配，在工藝上完全滿足托輥高精度裝配，保證生產出高品質托輥。增加托輥成套檢測、試驗設備，完全具備模擬工況的試驗條件和產品數據的全面檢測分析，為托輥提供精確的設計依據。

3 結束語

超高分子量聚乙烯托輥與金屬托輥相比具有很大的優越性。它具有較低的運行阻力；具有很好的沖擊能吸收性，能有效地降低運行噪聲，可以使帶式輸送機實現長運距、大運量、高速度的運轉工作；使用壽命長（一般在10萬h以上），托輥重量輕（一般僅為同規格鋼托輥重量的 1/ 2～2/ 3），大大的降低了運行成本和勞動強度，使安裝更換更方便，同時也減輕了托輥的使用維護量。

高分子量聚乙烯輕型托輥的設計開發，理論上可以使托輥的阻力系數降低30%，使托輥旋轉重量降低50%以上、使用壽命至少增加一倍，并最大程度降低托輥的阻力系數。實現真正意義上的低阻力運行，同時也會為我國在皮帶機傳動計算理論方面產生重大變革。

參考文獻

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