帶式輸送機高速托輥的研究與應用分析.doc

分類號：TH122 密 級：公 開UDC： 單位代號：10424學 位 論 文帶式輸送機高速托輥的研究與應用分析 劉 振申請碩士級別：碩士學位 專業(yè)名稱：機械電子工程指導教師姓名：包 繼 華 職 稱：副 教 授山 東 科 技 大 學二一一年五月論文題目：帶式輸送機高速托輥的研究與應用分析作者姓名： 劉 振 入學時間：2008年9月專業(yè)名稱：機械電子工程 研究方向：機電控制與生產(chǎn)過程自動化指導教師： 包 繼 華 職 稱： 副 教 授 論文提交日期：2011年5月論文答辯日期：2011年6月授予學位日期：2011年 月 日RESEARCH ON THE HIGH-SPEED IDLER OF THE CONVEYORA Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree ofMASTER OF PHILOSOPHYfromShandong University of Science and TechnologybyLiu ZhenSupervisor: Associate Professor Bao Jihua College of Mechanical and Electronic EngineeringMay 2011聲 明本人呈交給山東科技大學的這篇碩士學位論文，除了所列參考文獻和世所公認的文獻外，全部是本人在導師指導下的研究成果。該論文資料尚沒有呈交于其它任何學術機關作鑒定。 碩士生簽名： 日 期：AFFIRMATIONI declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic institute. Signature: Date:山東科技大學碩士學位論文 摘 要摘 要本文論述了大型帶式輸送機用托輥技術的研究應用現(xiàn)狀，綜合托輥產(chǎn)品技術的研究成果，將新型的密封技術、軸承產(chǎn)品以及先進的制造與裝配工藝等應用于托輥研制中，提出了適用于高速帶式輸送機用的新型托輥裝置。在分析托輥各部分結構的基礎上，根據(jù)帶式輸送機與托輥的運動關系建立了托輥裝置的運動模型，通過對運動模型的分析，得到了在帶式輸送機正常運行過程中，托輥的主軸、管體、密封結構、軸承、軸承座等結構在帶速提高的情況下，需要解決的問題。本文對比分析了目前市場上多種托輥產(chǎn)品，結合托輥相應試驗結果，針對要解決的關鍵問題對各部件分別提出了改進設計與選型思路；基于高速帶式輸送機的運行狀況設計了密封可靠、噪聲小、低能耗的高速托輥裝置，并對高速托輥各部件的材料與結構做了最優(yōu)匹配設計。根據(jù)托輥裝置的工作原理和技術要求指出了托輥的先進加工與裝配工藝，先進制造與裝配工藝確保主軸、軸承座的同軸度、管體的圓度達到最佳，大大減小了托輥的徑向跳動量，為有效解決帶式輸送機在高速運行工況下出現(xiàn)的縱向諧振問題做技術準備。最后參考國家標準中托輥的技術條件分別針對托輥的旋轉阻力、浸水密封性能、徑向圓跳動、軸向載荷等各性能進行高速工況下的試驗；參考煤礦井下用聚合物制品阻燃性的標準對管體進行酒精噴燈和酒精燈燃燒試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行分析，結果表明新型的高速托輥裝置能夠滿足高速運行條件，并且阻力系數(shù)明顯降低，為高速帶式輸送機的研發(fā)提供了條件。關鍵詞：帶式輸送機，高速托輥，密封，旋轉阻力，徑向圓跳動ABSTRACTThe paper depicted research and application status of the idler technology used in large belt conveyors. A new type idler equipment with new sealing system, differential rolling bearing and advanced processing-craft was designed to adept to the high-speed belt conveyors.The construction of the idler was analyzed, and the moving model for the idler was established based on the relation between the idler and the belt. Through analysis on the model, the key problems for improving the construction including the sealing, the tube, the shaft, the bearing and the bearing house were known when the velocity was increased. Whats more, several different kinds of the idlers were analyzed, Comparing the experiment results, the constructions were redesigned and chosen, the new idler was established based on the belts operation, which is reliable, small-noise, low-consumption. Synthesizing the material and the constructions made us aim to the optical design, finishing the preparation for solving the longitudinal resonant problems in high-speed operation effectively.Processing-craft and assembling-craft for the high-speed Idler was designed according to the working principle of the idler device, which make the shaft, the bearing house, the tube excellent, ensure the concentricity and circularity, decreasing the run-out of the idler.At last, the experiments of the rotating resistance, the run-out, the water-sealing and the load-bearing in high-speed operation were finished according to the national criteria of the idlers technology, and the burning experiments with the alcohol lamp and alcohol blast burner, were finished according to the national criteria on the flame retardancy of polymer products under the coal mine. The experiment results and the simulation showed that the device could achieve high-speed belts operational requirement, the rotating coefficient decreases obviously, which insure the conveyor working under our processes fixed in advance.Keywords: belt conveyor, high-speed idler, the sealing, the radial run-out, rotating resistance山東科技大學碩士學位論文 目 錄目 錄1 緒 論11.1 選題背景及研究意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3 課題研究的主要內(nèi)容62 帶式輸送機托輥介紹及其運動分析72.1 帶式輸送機托輥的結構與種類72.2 帶式輸送機托輥的性能參數(shù)112.3 帶式輸送機托輥的運動分析142.4 本章小結213高速托輥的方案設計223.1高速托輥的總體方案223.2 密封結構的設計243.3 軸承的分析與選型273.4 其他結構的設計313.5 本章小結334 高速托輥的生產(chǎn)制造工藝研究344.1 托輥工藝與性能的影響分析344.2 高速托輥的加工工藝分析364.3 高速托輥的裝配工藝分析434.4 本章小結455 高速托輥的試驗465.1 高速托輥的性能試驗465.2 高速托輥材料的燃燒試驗495.3 本章小結536 結論與展望546.1 主要結論546.2 工作展望54致 謝55參考文獻56碩士期間發(fā)表學術論文59Contents 1 Introduction11.1 Research Background and Significance of the Subject11.2 Development Status at Home and Abroad31.3 The Main Research Content and Features62 Introduction and Dynamics Analysis on Conveyor Idler72.1 The Introduction of the Conveyor Idler72.2 Choositon and Calculation of the Conveyor Idler112.3 Analysis on Dynamics Model for the Conveyor Idler142.4 Brief Summary213 Design of High-speed Conveyor Idler223.1 The Overall Scheme of the High-speed Idler223.2 Design of the Sealing Construction243.3 Analysis and Choosition of the Bearing273.4 The Design of the Others313.5 Brief Summary334 Analysis of Processing-craft and Assembling-craft for the High-speed Idler344.1 The Influence between the Craft and the Performance344.2 Analysis of Processing-craft for the High-speed Idler364.3 Analysis of Assembling-craft for the High-speed Idler434.4 Brief Summary455 Experiments of the High-speed Idler465.1 Performance experiments of the High-speed Idler465.2 Flame retardancy of the High-speed Idler495.3 Brief Summary536 Conclusions and Prospects546.1 Main Conclusious546.2 Prospects54Thanks55Main Reference Documents56Published Papers59山東科技大學碩士學文論文 緒 論1 緒 論1.1 選題背景及研究意義帶式輸送機是重要的物料輸送設備，煤礦采煤的輸送，礦山石粉的輸送，糧食入倉的輸送，冶煉鋼鐵金粉的輸送，均依靠帶式輸送機實現(xiàn)運輸。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，需要的輸送量也越來越大，對帶式輸送機而言，可以增加帶寬或者增大帶速來提高輸送量，相同條件下后者要比前者有利的多。帶速提高可以改善輸送機的以下性能：（1）運量一定時，帶速越高，帶寬越窄，降低了膠帶（在帶式輸送機投資中，價格占30%40%）的重量，同時所需巷道的寬度降低，減小了基建費用與設備投資。（2）帶式輸送機的運行阻力Fu為： （1.1）式中 水平傳輸距離，m；阻力系數(shù)；重力加速度，m/s2；膠帶的單位重量，kg；上托輥的旋轉部分的單位質量，kg；下托輥的旋轉部分的單位質量，kg；物料的提升高度，m；附加阻力，N。 膠帶的最大張力Smax： （1.2）式中：膠帶與滾筒間的摩擦系數(shù)；圍包角，rad。由式1.1與式1.2可知隨著帶速的提高，帶式輸送機的運行阻力逐漸減小，膠帶的最大張力也減小，所需膠帶的強度降低，與其相關的各種支撐設備規(guī)格也會減小，提高相關性能。（3）膠帶的運行阻力減小，減速器的輸出扭矩和減速比降低，這樣減速器的輸入功率得到了提高，在選型時可以降低規(guī)格，減小了投資。（4）膠帶的寬度和強度減小，與之配套的滾筒規(guī)格也就減小，降低了成本。帶速與托輥轉速的關系：，由此得出帶速提高，托輥的轉速相應增加，為了提高設備的可靠性與使用壽命，多數(shù)輸送機設計手冊中規(guī)定托輥轉速不能超過600r/min，否則托輥的旋轉阻力會急劇增大，導致使用壽命急劇下降。因此帶速提高，只能加大托輥直徑，來降低托輥轉速。對應各個規(guī)格的托輥的最高帶速如下表所示，從中可以看出帶速每增加1m/s，托輥的規(guī)格至少要加大一級，不利于減小設備投資。表1 不同規(guī)格的托輥的最高帶速Table 1 The different velocities of various idlers托輥直徑（mm）63.57689108133159194219最高帶速（m/s）2.04.25.06.16.9兗州礦業(yè)集團濟寧二號煤礦北翼大巷帶式輸送機，設計運量1700t/h，水平運距2380m，上運傾角4，提升高度166.5m，輸送機設計方案如表2所示。表2 輸送機設計方案示意圖Table 2 The sketch map of the conveyor design通過以上分析，結合實例兗州礦業(yè)集團濟寧二號煤礦北翼大巷帶式輸送機的設計方案1，我們可以看出提高帶速，帶寬減小，所需巷道變窄，帶強降低，驅動裝置、支撐設備、滾筒等部件的規(guī)格降低，所需投資與基建費用也就減小，但托輥由于受轉速限制，隨著帶速的提高，規(guī)格逐漸加大，影響了設備投資的合理分配。托輥是影響輸送機使用效果的關鍵部件之一，約占整機重量的30%40%，占整機價格的25%30%，它是日常主要管理、維護和更換的對象2。托輥的設計和選用對于帶式輸送機的正常使用、穩(wěn)定運行、維護費用、功率消耗、整機價格有重要影響，所以高速托輥的設計顯得尤為重要。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1帶式輸送機的研究現(xiàn)狀國外帶式輸送機技術的發(fā)展很快，其主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面是帶式輸送機的功能多元化、應用范圍擴大化，如大傾角帶式輸送機、管狀帶式輸送機、空間轉彎帶式輸送機等各種機型；另一方面是帶式輸送機本身的技術與裝備有了巨大的發(fā)展，尤其是長距離、大運量、高帶速等大型帶式輸送機已成為發(fā)展的主要方向，其核心是研制更可靠的零部件、開發(fā)應用先進帶式輸送機動態(tài)分析與監(jiān)控技術，提高帶式輸送機的運行性能和可靠性。目前，世界上單機運距最達30.4km的帶式輸送機已在澳大利亞的鋁礬土礦投入使用；運量達到37500t/h，帶速為7.4m/s2的大型帶式輸送機已應用于德國露天煤礦，國外帶式輸送機的帶速已達1215m/s3。十多年來，國產(chǎn)煤礦帶式輸送機從SDJ、SSJ、STJ、DT等系列定型發(fā)展到各種多功能特種帶式輸送機系列，提高運輸效率。我國帶式輸送機正向長運距、高帶速、大運量、大功率的方向發(fā)展，在高帶速輸送機為研究方向的背景下這就要求帶式輸送機在高速運行時各個零部件必須具有良好的運轉性能，特別是托輥、滾筒等結構要滿足高速運行的條件，因此研究高速托輥，需要對托輥的密封結構、筒體、軸承座等進行設計，對軸承進行分析與選型，并改進托輥的生產(chǎn)制造工藝，與此同時，還必須結合新型的高分子復合材料，減輕托輥的質量，降低帶式輸送機的啟動、制動功耗，減小托輥的現(xiàn)場許用功率，以保證帶式輸送機的安全平穩(wěn)運行。保證了帶式輸送機安全可靠地運行，提高了生產(chǎn)效率，降低了維護成本，提高了經(jīng)濟效益。帶式輸送機的關鍵技術與裝備有以下特點：（1）設備大型化，滿足高產(chǎn)高效集約化生產(chǎn)的需要。（2）應用動態(tài)分析技術和機電一體化、計算機監(jiān)控等高新技術，采用各種軟起動和自動張緊技術，對帶式輸送機進行動態(tài)監(jiān)測與監(jiān)控，大大降低了輸送帶的動張力，使輸送機始終處于最佳運行狀態(tài)，設備性能好，運輸效率高。（3）采用多電機驅動與中間驅動及功率平衡技術，使輸送機單機運行長度在理論上已不受限制，并確保了輸送設備的通用性、互換性以及單元驅動的可靠性。（4）新型高可靠性關鍵零部件技術，如應用極限轉速更高的托輥、各種先進的大功率驅動裝置與調速裝置等。1.2.2 托輥的研究現(xiàn)狀托輥是帶式輸送機上的主要部件之一，托輥的作用是支撐輸送帶，減小運行阻力，并使輸送帶的垂度不超過一定限度，以保證輸送帶平穩(wěn)運行。托輥約占整機重量的30%-40%，因為數(shù)量眾多，托輥的好壞直接影響到輸送機的正常運行和運營費用，托輥被譽為輸送機的“心臟”。隨著科學技術的發(fā)展，在以大運量、長距離、高帶速帶式輸送機為研究方向的大背景下，國內(nèi)外對托輥技術進行了深入和廣泛的研究，并開發(fā)出了多種新型的托輥裝置，托輥各部分結構的設計也多種多樣，像單向逆止托輥、自清掃托輥等專用產(chǎn)品也相應出現(xiàn)在實際生產(chǎn)中，但由于現(xiàn)代技術條件的限制和托輥技術的特殊性，高速托輥的技術創(chuàng)新還有待進一步研究。目前國外托輥的設計手段、制造標準，制造工藝，檢驗檢測手段等，都比國內(nèi)先進很多。如在世界帶式輸送機行業(yè)享有盛譽的日本NC公司，其托輥制造工藝技術非常先進，按照日本JIS標準生產(chǎn)的托輥經(jīng)檢測，承載托輥的徑向跳動均保證在0.5毫米以下，使用壽命在5萬小時以上，約是國產(chǎn)托輥壽命的2倍。在國內(nèi)帶式輸送機市場特別是高端托輥市場，占有重要的位置，有相當大的市場份額。其他如英國道梯邁柯托輥，德國DBT托輥等設計制造水平也比較先進，在國際國內(nèi)市場上也有不俗的表現(xiàn)。但國外托輥普遍是針對國外的生產(chǎn)條件設計，對我國帶式輸送機生產(chǎn)現(xiàn)場的復雜性考慮不足，在使用維護上要求比較高。大部分托輥使用中后期旋轉阻力過大，節(jié)能效果不好。因為托輥在煤炭、電力、冶金、建材、化工、港口等領域有著廣泛的應用，現(xiàn)在國內(nèi)托輥生產(chǎn)廠家很多，產(chǎn)品數(shù)量品種也不少，但是質量卻參差不齊。制造精良，性價比與國外同行相比具有較大優(yōu)勢的產(chǎn)品和生產(chǎn)廠家很少。造成這種狀況除了我國設計技術水平低和制造工藝落后等原因外，我國托輥產(chǎn)品的制造標準規(guī)定過于從寬，檢驗檢測手段落后，配套件如鋼管、密封件等部件的質量不過關也是造成我國托輥質量不穩(wěn)定的重要因素。長期存在著托輥旋轉阻力過大；密封防水、防塵效果不好，使用壽命遠低于設計壽命，噪聲污染嚴重等問題，進而降低了配套整機的使用效果。在設計方面，由于沒有低旋轉阻力系數(shù)的托輥可供選用，設計部門就不得不加大主電機的功率，或采用較大的備用系數(shù)。這樣一來，就造成了在設備，材料，能源等各方面的浪費?？梢哉f，現(xiàn)在托輥的質量和水平已經(jīng)成了制約我國帶式輸送機制造水平的一個瓶頸?，F(xiàn)在，各生產(chǎn)廠家都把改進托輥結構、提高托輥性能和壽命作為提高產(chǎn)品競爭力的主要手段，質量與九十年代相比，也進步很多，像唐山冶金、沈陽礦山機械有限公司生產(chǎn)的托輥性能有了很大的提高，在市場上也占有了一定的市場份額。但是，大部分廠家的研究方向定位于對于托輥結構的改進，至今國內(nèi)仍然是很少生產(chǎn)廠家，從理論上研究托輥的微觀破壞機理，研究現(xiàn)場的噪聲、振動、尺寸的穩(wěn)定性、溫度場對整個托輥的影響，從而為托輥的優(yōu)化設計和改進提供理論依據(jù)。 國內(nèi)帶式輸送機的帶速一般為36m/s，而國外的最高帶速已達15m/s，由于我國的帶式輸送機的帶速較國外偏低，相應的托輥技術與國外相比也有著較為明顯的差距，總體來說國內(nèi)產(chǎn)品與國外的相比較，差距主要體現(xiàn)在：（1）使用壽命短。國內(nèi)托輥的使用壽命約為2000030000h，進口托輥的使用壽命能達到50000100000小時。（2）運行阻力系數(shù)大；國產(chǎn)普通托輥的旋轉阻力系數(shù)約為0.0250.030，進口托輥的旋轉阻力系數(shù)一般在0.012左右。（3）托輥重量大。同型號托輥國內(nèi)比國外重10%，托輥越重，消耗鋼材與功率越大，尤其是在帶式輸送機啟動時功率消耗更為明顯。（4）噪聲大。同型號的托輥相比較，國內(nèi)產(chǎn)品的噪聲分貝要比國外的大13%30%。1.2.3 解決的關鍵問題就當前市場上可供選擇的托輥種類繁多，性能差異比較大，單單從壽命上來說，有的托輥運轉幾天甚至幾個小時就報廢，而有的托輥可正常運轉幾年，當然其價格差別也比較大，這就給用戶的選擇造成困難。綜合市場上托輥存在的諸多問題，總體來說現(xiàn)有的托輥失效歸納為兩種形式：筒體等結構的破壞和軸承的失效4。其中的筒體、軸承座、擋蓋和支承軸為碳鋼結構，重量大，易產(chǎn)生靜電，易銹蝕破壞。尤其是礦山生產(chǎn)中，暴露于高硫工作環(huán)境中，腐蝕更為明顯；軸承的失效主要表現(xiàn)在：（1）軸承的強度、剛度、疲勞破壞，磨損：托輥工作時由于筒體偏心對軸承會產(chǎn)生軸向力高頻沖擊，由于向心球軸承能承載較大的徑向力，幾乎不能承載軸向力，這對于向心球軸承的托輥影響明顯。（2）密封性能差：使用過程中，塵埃入侵內(nèi)部，進入軸承滾道，導致潤滑脂變質固化，破壞軸承的工況。加劇了軸承的磨損，導致托輥損壞。在高速運行的情況下，由于內(nèi)摩擦的存在，導致熱量的產(chǎn)生，停止運行后由于溫度降低導致氣壓下降，這樣粉塵會伴隨著吸氣過程進入非接觸式密封結構，現(xiàn)有的接觸式密封結構在轉速提高后旋轉阻力明顯加大，磨損加劇。托輥高速運轉過程中，徑向跳動量加大，噪聲加劇。影響徑向跳動的因素主要有：管體的圓度、主軸的圓度、軸承座的質量及其軸向定位與裝配精度5。總體來說高速托輥要解決的問題在于：（1）密封結構的設計。新的密封結構既要解決托輥高速運行中存在的呼吸問題，保證防水防塵質量，還不能加大托輥的旋轉阻力。（2）軸承的選型。托輥轉速提高后，發(fā)熱量加大，對軸承進行選型，確保潤滑性能良好，保證托輥的壽命。（3）生產(chǎn)制造工藝。新的工藝要保證托輥結構的加工裝配精度，減小相關部件的不同軸度，降低徑向跳動量與噪聲。（4）托輥的重量?？紤]新材料的應用，減輕托輥質量，減小啟動、制動功耗，降低帶式輸送機的現(xiàn)場功率要求。1.3 課題研究的主要內(nèi)容參考現(xiàn)有帶式輸送機的托輥技術條件，綜合托輥技術研究的成果，對基于高速運行的帶式輸送機進行托輥的技術研究和應用分析。本課題研究的主要內(nèi)容：（1）根據(jù)托輥的運動，結合托輥與輸送帶的運轉關系，對托輥的主軸、筒體等進行受力分析，建立力學模型。（2）在分析軸承、密封結構以及潤滑方式對托輥性能影響的基礎上，明確影響托輥性能的主要指標，提出制約托輥高速運轉的主要因素，為高速托輥的設計做好鋪墊。（3）針對受力模型與要解決的關鍵技術問題，研究新型的密封結構，選擇更佳的軸承，對托輥的生產(chǎn)制造工藝進行改進，保證高速托輥的可實施性。（4）參考國家托輥技術標準，對新型高速托輥的主要性能進行試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行分析，驗證相關結構的可行性，保證高速托輥的正常運轉。62山東科技大學碩士學文論文 帶式輸送機托輥介紹及其運動分析山東科技大學碩士學文論文 帶式輸送機托輥介紹及其運動分析2 帶式輸送機托輥介紹及其運動分析在帶式輸送機中，托輥用于支承輸送帶和輸送帶上的物料，減少輸送帶的運行阻力，并且保證輸送帶的垂度不超過技術規(guī)定，使輸送帶沿預定的方向平穩(wěn)運行。托輥是影響輸送機使用效果的關鍵部件之一，約占整機重量的30%40%，它是日常主要管理、維護和更換的對象。2.1 帶式輸送機托輥的結構與種類2.1.1 帶式輸送機托輥的結構隨著帶式輸送機的發(fā)展，從托輥的結構到托輥組的型式不斷有新的變化，面對如此眾多型式的托輥，如何合理的選擇托輥是一個問題，對托輥最基本的要求是：使用可靠，回轉阻力系數(shù)小、制造成本低、具有足夠的承載能力。普通托輥的結構如圖2.1所示，主要包括管體、軸、軸承、軸承座、密封結構等組成，軸承布置在托輥管體的內(nèi)部托輥軸的兩端由托輥支架支撐，要做出高質量的托輥，每個部分的設計與選型起著重要的作用。1-管體；2-軸；3-擋環(huán)；4-軸承；5-迷宮型內(nèi)密封圈；6-迷宮型外密封圈；7-內(nèi)密封圈；8-外密封圈；9-外蓋；10-擋圈；11-軸承座圖2.1 托輥的結構Fig.2.1 The construction of the idler 管體一般由無縫鋼管或焊接鋼管制造，前者制造的管體由于鋼管的壁厚不均勻，運行時易產(chǎn)生附加動載荷，使輸送帶產(chǎn)生振動，同時使軸承及密封件過早破壞，一般只適用于低速運行的輸送機。焊接鋼管的管壁比較均勻，運行過程中相對平穩(wěn)，在高帶速運行下要比焊接鋼管好的多。軸承座有鑄造式和沖壓式和酚醛塑料加布三種。鑄造式軸承座的優(yōu)點是厚度大、剛性強、配合面精度高、托輥轉動靈活性好，但是重量較大、成本較高。沖壓軸承座的重量輕、制造容易、成本低，但是鋼板薄時剛性小、易變形、拆裝時已損壞。托輥軸承一般選用鋼珠軸承、近年來傾向于選擇大游隙專用軸承，以改善軸承的工作狀態(tài)，減小托輥的運轉阻力，降低托輥的制造成本。托輥密封結構的好壞直接影響到托輥的旋轉阻力和使用壽命，高速運行中密封結構的設計尤為重要。潤滑脂除起到潤滑作用外，還起密封作用。生產(chǎn)中主要采用鈣基潤滑脂、鈉基潤滑脂、鋰基潤滑脂三種，國內(nèi)外有些托輥的結構還采用了可注油式潤滑6，保持托輥的良好潤滑狀態(tài)。2.1.2 帶式輸送機托輥的選擇計算 托輥的分類托輥主要是支撐輸送帶及輸送帶上的物料，保證輸送帶穩(wěn)定運行，托輥能否正確合理的選擇將直接影響整條帶式輸送機的穩(wěn)定運行。托輥的型式主要分為：（1）槽形托輥。托輥都是成組地安裝在輸送機上。上托輥組可以由單個托輥的平行托輥和兩個、三個托輥的槽形托輥組，中間托輥都是水平布置，側托輥的槽角一般為35和45，一臺輸送機中使用最多的是35槽形托輥和35槽形前傾托輥，其選配有三種方式：全前傾托輥、部分前傾托輥、無前傾托輥。槽形托輥可以降低托輥架的高度，減小等效的托輥組間距，用與輸送帶的剛度較小和空間較小的地方。（2）緩沖托輥。緩沖托輥安裝在輸送機的受料處，用來保護輸送帶。緩沖托輥的額定負荷和標準托輥相同，其槽角有35和45兩種形式。選用棉布芯輸送帶時只能使用35槽形緩沖托輥，選擇45槽形緩沖托輥時可在導料槽不受物料沖擊的地方使用。（3）調心托輥。調心托輥用來自動糾正輸送帶在運轉中運轉的過量跑偏，防止輸送帶蛇行，以保證輸送帶的穩(wěn)定運行。需要設置調心托輥的輸送帶中一般每十組托輥設一組調心托輥。（4）回程托輥?；爻掏休伒臉藴蕵邮绞瞧叫邢峦休?，它也是使用最多的一種下托輥。大型的輸送機也可采用兩個輥子，兩個輥子布置成V形用以防止跑偏和較高的承載能力，多數(shù)做法是每隔七組平行下托輥連續(xù)設3組V形和V形前傾下托輥。（5）過渡托輥。大運量、長距離、輸送帶張力大和重要的輸送機一般均應設置過渡段，過渡段就是布置過渡托輥的地方。（6）螺旋自清掃托輥。螺旋托輥用于清掃輸送帶承載面上粘附的物料，其作用和清掃器相同，一般將距離輸送機頭部滾筒最近的那組下托輥設計為螺旋托輥。 圖2.2緩沖托輥與螺旋自清掃托輥Fig.2.2 The absorber idler and the spiral self-cleaning idler托輥的選擇主要考慮托輥組的承載能力和壽命。需要考慮下列因素：載荷的大小和特性、輸送帶的寬度及運行速度、應用條件、帶式輸送機的工作制度、軸承壽命、維修制度等7。托輥組的形式可根據(jù)托輥在不同部位的情況進行選擇，例如：受料處選用緩沖托輥；過渡段使用過渡托輥；為防止跑偏在輸送機上設置一定數(shù)量的調心托輥組；輸送量較大時選用槽形托輥組，輸送量較小時選用二托輥托輥組或平形托輥。輥子長度的選擇可以參考輸送帶的寬度、托輥組的輥子數(shù)和輥子間的連接和布置方式。托輥的直徑和托輥軸的直徑以及軸承可根據(jù)托輥承受的載荷情況選擇，一般情況下應盡量選擇大直徑的輥子8，這樣可以減小運行時的托輥阻力，減小托輥的旋轉速度，從而減小由于托輥制造質量引起的動載荷。 托輥載荷的計算選擇托輥時，應考慮實際工況，保證托輥的承載不致過大、轉速不能過高。帶式輸送機的托輥載荷可以從不同的模型進行計算，而且各個輥子的受力狀況也不相同，圖2.3所示為通常采用的物料和輸送帶作用在各輥子上的載荷：將物料和輸送帶的載荷的70%作用在中間輥子上，兩個側輥各承受15%的物料作用，物料輸送帶上的裝載情況如圖2.3所示，物料的斷面積S為：輸送機每小時運送能力為： 由以上兩式得出，可計算出輸送帶的物料重量，以此來計算輸送帶的載荷。式中 有效帶寬，mm； 中間托輥的有效長度，mm； 物料的安息角，rad； 托輥輥子的槽角，rad；m，n均為常數(shù)。圖2.3 物料在輸送帶上的裝載情況Fig.2.3 The material on the conveyor以下給出直線段托輥組載荷的計算方法9：（1）承載托輥的靜載荷為： （2.1） 回程托輥的靜載荷為： （2.2）式中 托輥載荷系數(shù)，上托輥為=0.8，下托輥為=1； 托輥間距，mm； 物料系數(shù)，對平形托輥組=1，對二托輥組=0.6，對等長三輥槽形托輥組=0.7； 物料系數(shù)，對平形托輥組=1，對二托輥組=0.6，對等長三輥槽形托輥組=0.7； 一般取9.81。（2）承載托輥的動載荷為： 回程托輥的動載荷為： 式中 工況系數(shù)； 沖擊系數(shù)； 運行系數(shù)。 托輥轉速的要求由于加工精度和管體壁厚的不均勻，輥子存在著一個偏心，轉速越大，輥子的振動也就越嚴重，特別地當托輥振動的頻率與輸送帶的固有振動頻率相等時，將產(chǎn)生共振，使輸送機不能正常工作。當帶速一定時，托輥直徑越小，其轉速就越高，振動就越強烈。為了避免過大振動導致徑向跳動量過大，德國的克虜伯公司建議托輥的轉速應小于600r/min，日本的石川島播磨公司根據(jù)托輥橢圓度不同推薦轉速應小于740r/min和610r/min10。因此在滿足允許托輥轉速條件下，輥子的直徑為： 式中 托輥直徑，mm； 托輥允許的轉速，r/min。2.2 帶式輸送機托輥的性能參數(shù)作為帶式輸送機的關鍵部件，托輥的旋轉阻力，防塵防水密封等性能參數(shù)對于帶式輸送機的正常使用、穩(wěn)定運行、維護費用、功率消耗、整機價格有重要影響，為此國家對各個型號的托輥的運轉性能作了明確規(guī)定。2.2.1 托輥的性能規(guī)定依據(jù)中華人民共和國煤炭行業(yè)標準（MT821-2006）中的煤礦用帶式輸送機托輥技術條件，對托輥（直徑為108mm）在普通轉速下的試驗條件及性能規(guī)定11總結如表2.1所示。針對托輥的結構，各個部件的精度與質量國家標準中也做了相應規(guī)定。托輥的尺寸和形式多樣，論文中對一種尺寸(直徑為108mm，長度為350mm)的托輥進行分析。表2.1 托輥的性能指標Table 2.1 The performance properties of the idler序號項目名稱性能指標1使用壽命正常使用，壽命不小于20000小時，有效使用期內(nèi)損壞率不超過5%2托輥旋轉阻力系數(shù)出廠實驗室檢測：0.010；工程使用條件下：0.020。3托輥外圓徑向跳動0.5mm(托輥長度550mm)0.7mm(托輥長度550-950mm)1.3mm(托輥長度950-1350mm)1.5mm(托輥長度1350mm)4輥子軸向位移量0.5mm5輥子粉塵及進水量輥子在具有粉塵的容器內(nèi)連續(xù)運轉200小時后，粉塵不進入密封潤滑脂腔內(nèi)。在淋水工況條件下連續(xù)運轉72小時后，進水量150g。6輥子軸向承載能力10KN（托輥直徑108mm）15KN（托輥直徑133-159mm）20KN（托輥直徑159 mm）7噪聲分貝40dB8輥子跌落強度所有零件和焊縫均不得出現(xiàn)損傷和脫落；跌落后托輥的軸向位移不大于1.2mm；托輥管體與軸承座不得松開；跌落后的托輥其旋轉阻力系數(shù)不得大于跌落前的1.5倍。管體的標準規(guī)定參照MT/T 1019-2006煤礦用托輥管體技術條件12，金屬管體的外形尺寸應符合表2.2所示的質量標準：若是非金屬管體，其外徑及其允許偏差應符合表2.2的規(guī)定，壁厚正負偏差不得大于其壁厚的10%，同截面壁厚偏差不得大于15%。此外，在環(huán)境溫度為（255），相對濕度為60%70%的條件下，管體表面電阻值不得大于5108。管體的兩端面應與中心線垂直，并應清除毛刺。管體抗拉強度的安全系數(shù)不得低于8。表2.2 金屬管體的質量標準Table 2.2 The quality standards of steel tubes壁厚S（mm）允許偏差同截面壁厚差直線度（mm/m）外徑（mm）壁厚3.20.708%S7.5%.1.2 潤滑脂的質量指標潤滑脂的選擇對于托輥的使用壽命有重要的影響，所選的潤滑脂必須滿足表2.3中所示潤滑脂的質量要求。表2.3 潤滑脂的質量標準Table 2.3 The quality standards of lubricating grease項目質量指標滴點，175針入度（25，60次），0.1mm265295剪切安定性，十萬次針入度350耐水性（加水10%，剪切十萬次針入度）375游離堿，NaOH%0.1氧化安定性（100、100h、0.78MPa）壓力降，MPa0.35機械雜質（酸分介法）無雜質軸承防銹（52、48h、100%濕度）2級相似粘度（-20，D=10/s），P15000使用壽命（在托輥軸承中使用），h200002.2.2 制約托輥高速運轉的主要因素托輥高速運轉時，徑向跳動量、旋轉阻力、防水防塵、噪聲等性能參數(shù)與常速運轉時相比都有了很大改變，所以制約托輥高速旋轉的因素我們可以從以下幾個地方來體現(xiàn)：（1）密封結構。托輥一般運行在潮濕多塵的惡劣環(huán)境下，為了減小旋轉阻力，大部分托輥的密封結構選擇的是迷宮式密封13。在高速運行的情況下，由于內(nèi)摩擦的存在，必然導致熱量的產(chǎn)生，引起軸承內(nèi)密封腔內(nèi)溫度的升高，隨著溫度的升高潤滑脂出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。托輥停止運行后，隨著溫度降低軸承密封腔內(nèi)氣壓下降，從而產(chǎn)生吸氣過程，伴隨著吸氣過程，大量的粉塵顆粒進入軸承密封腔內(nèi)導致潤滑脂的污染和干化，從而加快軸承的磨損。潤滑脂隨汽化現(xiàn)象不斷發(fā)生而逐漸減少到一定程度后，軸承將在干摩擦狀態(tài)下運行，這勢必加劇軸承的磨損，大大縮短托輥的使用壽命14。（2）徑向跳動量。托輥的徑向圓跳動的產(chǎn)生主要由兩點引起：托輥管體的選擇及管體、主軸、軸承座等部件的加工影響15。（3）旋轉阻力。除密封結構、各部件的材料選擇外，旋轉阻力的產(chǎn)生很大程度上源自于托輥的加工裝配，其中各部件的同軸度對托輥的旋轉阻力有著明顯的影響。徑向跳動量與旋轉阻力的大小很大程度上是與托輥的機械加工質量相關的。機械加工質量主要是指機械加工精度和表面質量。加工精度指的是零件在加工后的實際幾何參數(shù)（尺寸、幾何形狀和表面相互位置）與理想零件的幾何參數(shù)相符合的程度，其符合程度越高，則要求加工精度越高，其差別即為加工誤差。表面質量是指零件表面幾何特征和物理力學性能，主要包括表面粗糙度、波度和表面層的物理力學性能。機械加工質量對零件的耐磨性、配合性質、零件疲勞強度、耐腐蝕性能、工作精度都有著重要的影響。生產(chǎn)實踐中，任何的加工方法都不可能把零件做的絕對準確，我們要做的就是盡量把加工誤差降到更小、表面質量做到更好。2.3 帶式輸送機托輥的運動分析帶式輸送機正常運轉時，托輥承載著輸送帶和物料，了解托輥與輸送帶之間的作用關系，有助于我們理解托輥的設計思路，做出更好的設計方案。2.3.1 托輥等效質量的分析這里的托輥組的等效質量是指托輥組沿垂直方向運動時托輥組的等效質量，不同于轉動運動的等效質量，分析托輥組等效質量的目的是為分析托輥的運動關系，研究托輥的受力，便于優(yōu)化托輥的結構。圖2.4 三托輥的幾何關系Fig. 2.4 The geometry relations of three idlers 以下以槽形托輥為例進行分析，圖2.4是三托輥槽形托輥組的幾何關系示意圖，由于對稱可以只對一半進行分析，對于側托輥的中點，有：，對于中間托輥中點，有：，式中 側托輥的長度，mm； 中間托輥的長度，mm； 側托輥和水平線的夾角變量，rad。由以上兩式，設中間托輥的速度，可以計算出側托輥中點的運動速度，側托輥的角速度為，托輥組的總動能在等效前后保持不變，設托輥組的等效質量為m，中間托輥的質量為m0，側托輥的質量為m1，有：由此可以得到三托輥槽形托輥組的等效質量m為： （2.3）2.3.2 輥子軸的受力分析正常