皮帶機高速托輥方案的設(shè)計及試驗

劉 博

（華陽集團機電設(shè)備管理中心，山西 陽泉 045008）

引言

皮帶機是煤礦生產(chǎn)中重要的運輸設(shè)備，隨著采煤量的不斷增加，對皮帶機的運輸效率也提出了更高的要求。常用的增大輸送量、提高運輸效率的方法有兩種：增加帶寬或提高帶速。增加帶寬意味著增大皮帶的使用量，增大了設(shè)備的成本；而提高帶速后，由于皮帶機的運行阻力減小，皮帶強度降低，驅(qū)動裝置、支撐設(shè)備、滾筒等設(shè)備的規(guī)格降低，運行成本顯著降低，因此提高帶速的效果明顯優(yōu)于增加帶寬。托醌是皮帶機的重要組成部分，在皮帶機運行時起著支撐輸送帶的作用，托醌的性能直接影響皮帶機的工作效率[1]，皮帶機速度的提高會導致筒體等部件結(jié)構(gòu)破壞以及軸承失效，因此對托醌鋼管、密封件等配件提出了更高的要求。近年來，國內(nèi)外專家和學者對高速托醌開展了一定的研究，如日本的NC 公司制造的托醌徑向圓跳動可以控制在0.5 mm 以下，使用壽命約超過5 萬h，使用壽命是國產(chǎn)托輥的2 倍。由于國外托醌只針對國外的生產(chǎn)條件，對國內(nèi)復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境并不適用。而目前國內(nèi)托醌的制造技術(shù)良莠不齊，無法滿足高速皮帶運行的要求。因此，本文針對托醌在高速運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)的強度不夠、易磨損、密封性能差、徑向跳動量大以及噪聲高的問題，分別進行了優(yōu)化，提出了新型皮帶機高速托醌的方案，并對新型托醌裝置按照國家標準和行業(yè)標準進行了試驗，試驗結(jié)果符合要求。

1 高速托醌的設(shè)計

根據(jù)托醌的性能參數(shù)和影響其高速運轉(zhuǎn)的因素，基于傳統(tǒng)托輥的設(shè)計，提出了圖1 所示的高速托輥的設(shè)計方案。該方案選擇深溝球軸承，該軸承帶有防塵蓋，整體結(jié)構(gòu)采用迷宮式接觸式的復(fù)合密封結(jié)構(gòu)，顯著提高了托輥的防水防塵性能，以高分子材料研制，減小了設(shè)備的重量和旋轉(zhuǎn)阻力，降低了功耗，保證了高速托輥的正常運行。

圖1 高速托醌的結(jié)構(gòu)

1.1 密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計

密封機構(gòu)是托醌的保護裝置，可以防止煤渣、水分等污物進入托醌內(nèi)部，保證軸承轉(zhuǎn)動阻力不變，延長托醌的使用壽命。密封裝置選擇時要滿足以下幾個條件：密封面無裂紋、劃痕和氣孔等缺陷、防水防塵能力和旋轉(zhuǎn)阻力滿足國家標準、耐腐蝕等。一般密封方式有非接觸性和接觸性性兩種結(jié)構(gòu)，本文采用軸向迷宮密封和接觸式密封復(fù)合結(jié)構(gòu)[2]，該結(jié)構(gòu)由內(nèi)密封圈、迷宮型內(nèi)、外密封圈、接觸式密封圈、內(nèi)、外擋圈和壓緊圈組成，其中內(nèi)密封圈是密封裝置的核心，能夠防止雜質(zhì)從內(nèi)側(cè)進入軸承從而引起潤滑脂流失。該密封結(jié)構(gòu)的具有以下三個特點：密封道數(shù)不受軸承徑向尺寸的影響；迷宮密封最外側(cè)的密封圈采用聚乙烯高分子材料，密度小，阻力小，耐腐蝕；內(nèi)擋圈表面的凸環(huán)起著調(diào)整的作用，當粉塵或水進入內(nèi)擋圈或外擋圈時，可以改變軸向運動的趨勢；同時凸環(huán)與外擋圈之間形成真空，提高了密封效果。

1.2 軸承的設(shè)計

密封結(jié)構(gòu)和軸承是影響托醌使用壽命的兩大因素。當煤泥等雜質(zhì)大量進入軸承內(nèi)，或軸承中的油脂變質(zhì)或流失，均會導致軸承失效[3-4]。軸承選擇時要重點關(guān)注軸承的載荷、轉(zhuǎn)速、調(diào)心性能以及游隙，同時也要考慮便于安裝和拆卸。本文選擇瑞典SKF 生產(chǎn)的帶有防塵蓋的深溝球軸承，軸承型號為6205-Z型，采用G 級制造精度和C4 大游隙組，以尼龍保持架支撐，整體結(jié)構(gòu)重量輕、耐腐蝕、耐磨損、摩擦系數(shù)小。

1.3 其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計

潤滑脂主要用于密封結(jié)構(gòu)的定期潤滑保養(yǎng)，潤滑脂的選擇時要考慮速度、載荷、溫度等環(huán)境條件，皮帶機帶速越高，潤滑脂的錐入度越大；載荷越重，需選用基礎(chǔ)油黏度高、稠化劑含量高的潤滑脂；工作環(huán)境的濕度大小、托醌的安裝狀況也會影響潤滑脂的選擇。考慮到本文選擇的是深溝球軸承，而皮帶機工作環(huán)境有水、軸承轉(zhuǎn)速范圍為1 500～3 000 r/min，因此最終選擇1 號鋰基潤滑脂，此類型潤滑脂具有良好的耐水性、機械穩(wěn)定性、抗腐蝕性和氧化安定性，適用于50～100 ℃范圍內(nèi)軸承等摩擦部位的潤滑。

此外，托醌主軸選擇拉光軸，在軸體設(shè)計兩個卡槽用于放置擋環(huán)，起著定位準確的作用；筒體結(jié)構(gòu)直接影響托醌裝置質(zhì)量，本文筒體結(jié)構(gòu)無止口，一次性加工成型，能更好地保證筒體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

2 高速托醌的性能試驗

2.1 旋轉(zhuǎn)阻力的測試

試驗前檢查設(shè)備是否工作正常，先將托醌裝置放在旋轉(zhuǎn)阻力測試儀管架上，使得管體中心和壓輪中心位于同一直線，啟動液降按鈕，使得液壓電力推動器壓緊托醌管體，然后開啟電機按鈕，緩慢調(diào)節(jié)調(diào)速按鈕，設(shè)置管體壓力為250 N，托輥外圓線速度為10 m/s，運行15 min 后，記錄試驗數(shù)據(jù)。

2.2 浸水密封試驗

托醌浸水密封試驗是通過試驗前后托醌的質(zhì)量變化判斷其進水量，試驗前確認設(shè)備狀態(tài)正常。試驗時，先測定托輥質(zhì)量m1，再將托醌穩(wěn)定放置在可調(diào)托醌架上，調(diào)節(jié)托醌架位置，使得管體中心和電機輪中心重合，調(diào)節(jié)皮帶松緊度，滿足試驗條件后擰緊托輥架底板螺栓；開啟電機電源，旋轉(zhuǎn)5 min 查看各部位是否符合試驗要求；若滿足要求，在儲水箱中添加冷水至與托醌中心線等高，然后調(diào)節(jié)電機功率使得托醌以3 000 r/min 運轉(zhuǎn)24 h 后，再次測定托輥的質(zhì)量m2。

2.3 圓跳動試驗

圓跳動試驗前應(yīng)先檢查檢測平臺，確保干凈無雜物，將托醌置于V 形墊鐵上，檢查百分表工作是否正常，靈敏度是否符合要求；將百分表表頭對準管體，表針歸零，隨機選擇托醌筒體三處位置，進行測試并記錄試驗數(shù)據(jù)，最終取三點中數(shù)據(jù)最大值作為判斷依據(jù)。

2.4 軸向承載試驗

實驗前檢查千斤頂?shù)陌惭b，判斷是否存在漏壓、漏油現(xiàn)象，傳感器是否滿足檢測靈敏度，確認無誤后，將托醌安裝于正確的檢測位置，以恒力緩慢按壓千斤頂施壓手柄，記錄托醌軸向載荷。

表1 為八次平行試驗的結(jié)果，從表中可以看出，本文設(shè)計的托輥方案滿足國家標準中的托輥技術(shù)條件：徑向跳動量不超過0.5 mm，旋轉(zhuǎn)阻力不大于3.5 N，所能承受的軸向載荷大于10 kN，浸水試驗中進水量不超過5 g。在托輥轉(zhuǎn)速提高的情況下，仍能滿足運行條件。

表1 托醌性能試驗結(jié)果

2.5 材料燃燒試驗

由于托醌采用聚乙烯高分子材料，在礦井下工作時需保證無燃燒隱患，因此本文基于國家標準中煤礦井下聚合物制品阻燃性的要求，對托醌裝置的阻燃性能進行了試驗。阻燃性的考察需證明在酒精噴燈或酒精燈燃燒條件下，聚合物不可燃或不支持燃燒。取一定量聚合物置于燃燒試驗箱內(nèi)，以95%乙醇∶5%甲醇混合物為染料，進行聚合物的酒精噴燈燃燒試驗，并記錄有焰燃燒時間、無焰燃燒時間和火焰擴展長度。經(jīng)過五次平行試驗，托醌聚合物材料的平均有焰燃燒時間為2.15 s，平均無焰燃燒時間為9.33 s，火焰擴展長度小于280 mm，符合標準要求。

3 結(jié)論

本文針對托輥在高速條件下出現(xiàn)的軸承失效等問題，提出了皮帶機新型高速托醌方案，采用了新型的密封結(jié)構(gòu)和軸承產(chǎn)品，改善了傳統(tǒng)密封方式對惡劣環(huán)境適應(yīng)能力差的問題，提高了托輥軸承的防水防塵性能，設(shè)計出了適用于高速皮帶機的安全高效的托醌裝置，提高了皮帶機的工作效率。