聚氨酯高分子托輥與鋼制托輥特性對比分析*

王永琪 孫曉霞 孟文俊，2 翟義英

1太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 太原 030024 2山西能源學(xué)院 太原 030619 3山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 太原 030024

0 引言

帶式輸送機(jī)是重要的輸送物料運(yùn)輸設(shè)備，廣泛應(yīng)用于煤礦、港口、礦山等輸送量要求巨大的地方，是我國輸送領(lǐng)域中至關(guān)重要的一環(huán)。托輥在整個輸送機(jī)系統(tǒng)中是使用、更換頻率最高的部件。隨著企業(yè)對輸送量和輸送要求的逐步提升，輸送機(jī)對托輥的需求量也逐漸增高，亟需研究托輥能耗更少，磨損量更低，使用壽命更長的新型托輥。

1 新型托輥發(fā)展情況

眾多領(lǐng)域?qū)W者在新型托輥研究方面已經(jīng)做出了很多研究。唐葆霖等[1]對未來煤炭開采輸送進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展及展望。劉錦等[2，3]介紹了高分子材料相較鋼制托輥的優(yōu)劣性能，探討了不同工況下的不同高分子的發(fā)展方向。于玉真等[4-7]應(yīng)用Workbench、Simulation、Abqus和Pro/E等軟件對軸承座及其管體研究了應(yīng)力和變形分析，李振杰等研究在生產(chǎn)時采用特殊處理，增加托輥壽命。李畢等[8，9]對帶式輸送機(jī)運(yùn)行阻力的方法進(jìn)行了研究。楊言[10]研究了聚氨酯材料作為輥皮對托輥整體的影響。

本文采用市面上一種應(yīng)用廣泛的非金屬高分子材料聚氨酯作為托輥輥皮與傳統(tǒng)鋼制托輥進(jìn)行對比研究，通過靜態(tài)、動態(tài)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，將鋼制托輥與高分子托輥的優(yōu)劣進(jìn)行闡述，為下一步的壓線阻力分析、磨損狀況、旋轉(zhuǎn)阻力等研究提供理論依據(jù)。

2 托輥參數(shù)理論計(jì)算

通過計(jì)算托輥的靜載荷、承受壓力、加載面積，結(jié)合設(shè)計(jì)手冊查找相關(guān)托輥系數(shù)，對托輥的動、靜載荷，托輥軸承載壓力進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用到仿真分析軟件中，對下一步仿真工作做準(zhǔn)備。

1）托輥靜載荷

式中：qG為輸送物料的重力，qG＝87 kg/m；qB為輸送帶自重，qB＝15 kg/m；e為托輥載荷系數(shù)(取上托輥為0.8，下托輥為1)；a0為托輥間距，a0＝1.2 m；K1、K2為物料系數(shù)（取3托輥組K1、K2＝0.7）；g為重力加速度，g＝9.81 m/s2。

2）托輥承受的壓力

3）加載面積

式中：r為托輥半徑，L為托輥長度。

4）帶速選擇

托輥參數(shù)如表1所示，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊選擇托輥轉(zhuǎn)速，帶速為2 m/s。

表1 托輥參數(shù)

5）動載荷

式中：fa為工況系數(shù)，fa＝1.1；fs為沖擊系數(shù)，fs＝1.06；fd為運(yùn)行系數(shù)，fd＝1。

6）托輥軸載荷

查設(shè)計(jì)手冊可知傳統(tǒng)鋼制托輥質(zhì)量為6.3 kg，高分子托輥質(zhì)量約為傳統(tǒng)鋼制托輥的1/3左右。

7）托輥軸受鋼制托輥靜載荷

式中：mt為鋼制托輥質(zhì)量，mt＝6.3 kg。

8）托輥軸受高分子托輥靜載荷

式中：mp為高分子托輥質(zhì)量，mp＝2.1 kg。

3 靜態(tài)特性仿真分析

3.1 托輥的靜力學(xué)分析

1）托輥結(jié)構(gòu)

托輥由輥筒、輥軸、軸承座、軸承、內(nèi)密封、外密封、擋圈組成。考慮到輥筒和軸承座是焊接而成，為保證有限元計(jì)算更加準(zhǔn)確，將托輥進(jìn)行1:1建立建模，如圖1所示。

圖1 托輥模型

2）有限元Workbench軟件分析

對材料相關(guān)系數(shù)進(jìn)行設(shè)定，材料密度為1.8 g/cm3，彈性模量為71 GPa，泊松比為0.31，材料拉伸強(qiáng)度為545.6 MPa，彎曲強(qiáng)度為482.5 MPa，最后施加邊界條件有托輥本身的重力、壓力，角速度為30.135 rad/s，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.802 6，然后與Q235鋼制托輥?zhàn)隹傋冃魏偷刃?yīng)力對比。

3）結(jié)果分析

2種托輥的總變形云圖和曲線圖如圖2、圖3所示。鋼制托輥的總變形量為0.000 946 mm，高分子托輥的總變形量為0.002 8 mm，發(fā)現(xiàn)在變形方面，高分子托輥明顯高于鋼制托輥。

圖2 高分子托輥與鋼制托輥總變形云圖

圖3 高分子托輥與鋼制托輥的總變形曲線

聚氨酯復(fù)合高分子材料本身具有良好的彈塑性性能，能夠很好地緩解托輥及物料對托輥軸的載荷力，同時可以緩沖物料對輸送帶及托輥的沖擊損傷，延長輸送帶和緩?fù)休伒氖褂脡勖?/p>

圖4、圖5是同等壓力下2種托輥的等效應(yīng)力情況，可知高分子托輥的等效應(yīng)力為8.050 2 MPa，鋼制托輥為8.456 9 MPa。圖中看出高分子托輥的等效應(yīng)力略低于鋼制托輥的應(yīng)力，但遠(yuǎn)小于高分子材料的極限屈服應(yīng)力，說明高分子托輥在同等應(yīng)力作用下，輥皮承受的應(yīng)力更小，使得高分子托輥的使用壽命相應(yīng)延長。

圖4 高分子托輥與鋼制托輥等效應(yīng)力云圖

圖5 高分子托輥與鋼制托輥等效應(yīng)力曲線

3.2 托輥軸的靜力學(xué)分析

1）三維模型建立

托輥軸材料選定常規(guī)Q 235冷拉圓鋼，模型如圖6所示。

圖6 托輥軸模型

2）有限元分析

對于托輥軸的受載計(jì)算，本文采用極限受載法。托輥軸的主要變形集中在托輥軸中間部分，根據(jù)GB 990—1991《帶式輸送機(jī) 托輥 基本參數(shù)與尺寸》，托輥軸的許用變形量μ為總軸長L的0.2%。

式中：L為托輥軸長度，L＝412 mm。

分別對聚氨酯復(fù)合高分子托輥軸與鋼制托輥軸進(jìn)行仿真求解，2種托輥軸的總變形云圖和曲線圖如圖7、圖8所示。可以看出，托輥軸的最大變形量0.027 46 mm遠(yuǎn)小于許用變形量0.824 mm，且變形結(jié)果都是從兩端到中間，托輥軸的變形量逐漸增大，與托輥軸的橫向變形理論相符。同時可以看出高分子托輥對軸的變形影響小，由于聚氨酯材料有良好的彈性性能，所以托輥輥皮傳遞到托輥軸上的載荷力減少，使得托輥軸的變形減少，低于鋼制托輥對托輥軸施加載荷發(fā)生的變形量。表明高分子托輥對托輥軸有更少的損壞量，高分子托輥相較于鋼制托輥，能增長托輥軸更換周期，降低疲勞磨損。

圖7 托輥軸受載荷總變形云圖

圖8 托輥軸受兩種托輥載荷變形曲線

4 動態(tài)特性仿真分析

托輥在實(shí)際運(yùn)行中，在輸送帶的帶動下和外界因素的共同干擾下會產(chǎn)生共振，影響托輥的壽命和效率，加快托輥輥皮的磨損。故在滿足靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對高分子托輥和鋼制托輥分別進(jìn)行動態(tài)仿真。通過結(jié)構(gòu)模態(tài)分析得出托輥的固有頻率及振型，以避免托輥的振動頻率和托輥結(jié)構(gòu)件的振動頻率相近引起結(jié)構(gòu)共振，從而大幅降低托輥壽命。此外，通過觀察振型，可得出托輥結(jié)構(gòu)件的薄弱部位，為以后結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定理論支撐，進(jìn)一步縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期以及提高產(chǎn)品使用壽命。

圖9、圖10為高分子托輥和鋼制托輥的前六階模態(tài)變形云圖和頻率階數(shù)。可以看出鋼制托輥?zhàn)畹皖l率為50.29 Hz，最高頻率為178.85 Hz，高分子托輥?zhàn)畹皖l率為90.74 Hz，最高頻率為289.27 Hz，高分子托輥振動模態(tài)總變形為22.556 mm，鋼制托輥振動模態(tài)總變形為12.314 mm，高分子托輥由于其本身具有彈塑性性能，可以很好地緩解輥皮變形對軸承的壓迫，減緩軸承故障的頻率，提高軸承的使用壽命。

圖9 高分子托輥與鋼制托輥六階模態(tài)變形云圖

圖10 高分子托輥與鋼制托輥頻率階數(shù)

高分子托輥的頻率范圍比傳統(tǒng)鋼制托輥范圍更大，說明高分子托輥臨界轉(zhuǎn)速可以達(dá)到更高，更適合要求轉(zhuǎn)速高的工況下。高分子托輥能更好地避免結(jié)構(gòu)振動，提高結(jié)構(gòu)件的使用壽命，在磨損嚴(yán)重的工況下用高分子托輥替代鋼制托輥，可降低成本。而且根據(jù)高分子托輥的固有頻率，可得出臨界轉(zhuǎn)速為5 444.4 r/min，遠(yuǎn)超發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，表明高分子托輥具有良好的動態(tài)特性。

5 結(jié)語

1）高分子托輥的總變形程度高于傳統(tǒng)鋼制托輥，而高分子托輥軸的變形程度低于鋼制托輥軸，表明高分子材料的彈性性能可以緩沖物料對輸送帶及托輥的沖擊損傷，減少托輥輥皮傳遞到托輥軸上的載荷力，對托輥軸有更少的損壞量，可延長輸送帶和托輥的使用壽命。

2）高分子托輥的等效應(yīng)力低于傳統(tǒng)鋼制托輥的等效應(yīng)力，且遠(yuǎn)小于高分子材料的極限屈服應(yīng)力，說明在同等應(yīng)力作用下，高分子輥皮可承受的應(yīng)力更小，高分子托輥使用壽命相應(yīng)延長。

3）高分子托輥與鋼制托輥相比較，具有更良好的動態(tài)特性，擁有更寬的固有頻率范圍，能夠更有效地避免與托輥結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生共振，來適應(yīng)托輥轉(zhuǎn)速更高的工況，因其本身具有良好材料性能，可以極大緩解輥皮變形對軸承的壓迫，減緩軸承故障的頻率，提高軸承的使用壽命。