帶式輸送機托輥失效原因與改進措施分析

李 仟

(神東煤炭集團皮帶機公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

帶式輸送機具有運量大、加工成本低廉、維護保養(yǎng)簡單等優(yōu)點，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，煤礦用帶式輸送機使用量越來越大，人們對膠帶機產(chǎn)品的使用工況、產(chǎn)品性能的要求也越來越高。帶式輸送機的發(fā)展趨勢也應(yīng)逐漸向低碳、節(jié)能、高效、綠色、智能化機型轉(zhuǎn)變，以滿足長距離、大運量的發(fā)展需求[1]。

托輥是帶式輸送機應(yīng)用數(shù)量最多的部件，重量約占整機的35%，價值30%左右，膠帶機完成一個開采工作面后，大量的托輥報廢，無法使用，經(jīng)濟損失巨大，托輥質(zhì)量的好壞直接影響整條膠帶機的使用性能[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]。現(xiàn)在國內(nèi)市場托輥普遍采用Q345B焊管，60000型系列滾動軸承、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

在托輥運轉(zhuǎn)過程中，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，則托輥軸失效原因為拉扯斷裂失效。通過大量的實踐計算得出，托輥軸、筒皮、軸承、軸承座這些附件不會同時失效，作為單個附件時使用年限都特別長，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，單一附件的失效就會引起連帶失效。例如，托輥筒皮很難斷裂，但經(jīng)過長時間的磨損影響托輥的同軸度，同軸度降低后托輥的各項性能指標(biāo)如徑向跳動也會隨之下降，隨著托輥筒皮性能失效后托輥的整體性能指標(biāo)也將無法滿足使用要求。同時，筒皮使用的鋼管本身的加工質(zhì)量對托輥的使用壽命也會產(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)計一個污染物存儲區(qū)域，當(dāng)雜質(zhì)進入托輥后，托輥通過轉(zhuǎn)動將雜質(zhì)旋轉(zhuǎn)甩入污染物存儲區(qū)域有效存儲，從而延長污染物進入軸承附件的時間，圖2為迷宮密封簡圖。這種密封可以短時間起到良好效果，當(dāng)托輥長時間使用時，進入存儲區(qū)域的污染物越來越多。當(dāng)托輥無法通過離心力的作用積存更多的污染物時，托輥軸承也就會受到污染，將會影響軸承的整個潤滑系統(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，在使用過程中鋰基脂的性能也會產(chǎn)生一定的變化。這主要是由于：①鋰基脂經(jīng)過反復(fù)的剪切力作用結(jié)構(gòu)改變；②潤滑脂基油逐漸氧化；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，鋰基脂潤滑效果不良，軸承反復(fù)摩擦滾動面溫度增高將會發(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)選擇合理的型號且質(zhì)量合格的潤滑脂。

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)致污染物進入軸承破壞軸承的潤滑系統(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，無法轉(zhuǎn)動;③托輥密封效果不良，雜質(zhì)大量進入軸承，軸承不能轉(zhuǎn)動；④軸承加工質(zhì)量不合格及在托輥加工過程中軸承裝配不合格。由以上分析可知，托輥的密封系統(tǒng)影響著潤滑脂的性能，潤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 運行阻力系數(shù)

托輥運行阻力系數(shù)是反應(yīng)帶式輸送機運行的關(guān)鍵，軸承的型號種類、游隙、填充鋰基脂型號、密封結(jié)構(gòu)等因素都將對托輥的旋轉(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，低阻托輥阻力可以降到1.2 N以下，運行阻力增大后托輥轉(zhuǎn)動不靈敏，甚至?xí)兂苫瑒樱瑖?yán)重影響帶式輸送機的功耗，也會磨損膠帶機的帶面，降低整機的使用壽命，這將增加礦井單位對膠帶機使用維護成本，嚴(yán)重時會造成停產(chǎn)事故。除此之外，帶式輸送機的運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 托輥的徑向跳動及軸向竄動

托輥徑向跳動值對高速運行的膠帶機影響很大，嚴(yán)重時會影響膠帶機的運行。一般允許范圍是0.5～1.9 mm，也與筒皮直徑有關(guān)。同時，徑向跳動越大托輥產(chǎn)生的噪聲也會增大，減小徑向跳動的方式是采用質(zhì)量好的無縫鋼管、圓錐輥子軸承。同時應(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

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

2.3 托輥重量

托輥越重，運行阻力越大，同時還會影響輸送機的運行穩(wěn)定性，電動機的功率消耗，輸送帶及托輥自身的壽命。托輥越重，啟動和運行托輥所需的功率越大，雖然旋轉(zhuǎn)一個托輥所需的功率不大，但在運行距離達到6 000 m膠帶機上，托輥數(shù)量在16 000個左右，帶動大量托輥轉(zhuǎn)動需要耗費很大的驅(qū)動功率，所以在對長距離膠帶機的開發(fā)過程中，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)計是設(shè)計人員必須要考慮的技術(shù)指標(biāo)，可有效降低膠帶機拆裝、搬運時的人工勞動強度。

3 提高托輥壽命的措施

開發(fā)長壽命托輥是現(xiàn)代化膠帶機發(fā)展的必然趨勢，因此可以通過改變密封結(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)計形式下創(chuàng)新設(shè)計出一種新的密封結(jié)構(gòu)—組合式密封，該密封在出廠時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打開間隙，回彈。密封采用非金屬材料，在壓裝時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。同時將密封組件過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指標(biāo)不大于40 g，保證托輥5萬小時壽命的密封有效性。

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，在出廠以后無需注油和維護，避免托輥生產(chǎn)過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)大于圓錐輥子軸承使用壽命，托輥旋轉(zhuǎn)阻力也會大幅度降低，使用壽命可達5萬小時以上。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)品全壽命無需注油及維護，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)識入庫。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)計要求，造成旋轉(zhuǎn)阻力增大甚至不能轉(zhuǎn)動。因此，只有改進加工工藝和更新設(shè)備才能制造出高質(zhì)量的托輥，同時確保每一道工序都能按照工藝標(biāo)準(zhǔn)加工，減少累計誤差，通過設(shè)計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)，進一步達到降阻、延長使用壽命的目的。

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，并通過油脂填充和優(yōu)化軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)等措施實現(xiàn)軸承靜音，在軸承不受污染的情況下由8萬小時提高到12萬小時。裝配后整體提高托輥的使用壽命，確保在井下運行時達到10萬小時。

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，降低托輥自身旋轉(zhuǎn)重量及旋轉(zhuǎn)阻力，保證托輥壽命10萬小時運行時間。不銹鋼具有良好的冷熱加工性能，各項物理性能指標(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。筒皮重量減輕后，托輥自身旋轉(zhuǎn)重量及旋轉(zhuǎn)阻力將相應(yīng)的降低，最終達到整機降阻的目的。

軸：提高軸的加工質(zhì)量，軸的不圓度對托輥的旋轉(zhuǎn)阻力和徑向跳動也會產(chǎn)生很大的影響，選用機加性能好、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、確保材料入場檢驗合格，有效控制過程檢驗，達到產(chǎn)品合格率，從而降低徑跳指標(biāo)，進一步達到降阻、延長使用壽命的目的。軸承座焊接過程要采用雙頭自動焊接機床，確保筒皮的同軸度，在生產(chǎn)過程中嚴(yán)禁用手錘敲打筒皮、壓裝過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過程控制檢驗手段，確保每一道工序都能滿足工藝要求，另外成品托輥在運輸存儲的過程中也要加以保護，多管齊下才能確保出品高質(zhì)量的托輥。

4 結(jié)語

普通托輥主要問題是：使用壽命短；運行阻力系數(shù)大；密封效果差；結(jié)構(gòu)不合理；潤滑和受力性能不好；加工制造精度不高。隨著長距離、大運量、低碳、智能膠帶機開發(fā)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，普通托輥已無法滿足現(xiàn)階段的市場需求，為此迫切需要研制輕型低阻力托輥，通過降低單只托輥重量和旋轉(zhuǎn)阻力進而降低帶式輸送機整機重量和運行阻力，同時延長托輥使用壽命，大幅度減少維修費用，減少礦井對托輥的資金投入量，提高帶式輸送機托輥運行的安全可靠性和經(jīng)濟性，有效地提高所配套帶式輸送機運行效率。對帶式輸送機的研究、設(shè)計及生產(chǎn)單位實施帶式輸送機托輥技術(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托輥使用壽命的直接有效手段。實現(xiàn)托輥長壽命、低阻力，從而提高帶式輸送機的使用性能，還可以收到顯著的節(jié)能降耗效果。托輥是膠帶機的關(guān)鍵組成部分，對膠帶機的影響巨大，通過對托輥性能指標(biāo)分析，在現(xiàn)有礦井，若能將托輥的使用壽命提高10萬小時左右，減少托輥的使用損壞率，將會創(chuàng)造很高的經(jīng)濟效益。