一種煤礦用托輥使用壽命試驗臺的研制

宋巖

摘要： 煤礦用托輥使用壽命是評價托輥質量的重要指標，為高效如實反映產品性能，基于產品標準的要求，研制了一種托輥使用壽命試驗臺，對試驗原理和結構進行了分析，對關鍵件進行了強度校核，并進行了試驗驗證，結果滿足設計要求。

Abstract： The service life of supporting roller used in coal mine is an important index to evaluate the quality of supporting roller. In order to reflect the product performance effectively and truthfully， based on the requirements of product standards， a testing platform for the service life of supporting roller is developed. The test principle and structure are analyzed， the strength of key parts is checked， and the test results are verified to meet the design requirements.

關鍵詞：托輥;使用壽命;試驗臺;研制

0? 引言

托輥作為帶式輸送機的主要元部件，性能的優劣直接影響皮帶機的正常工作，托輥在帶式輸送機中的造價占到整個皮帶機總價的30%，承受了70%以上的工作阻力，其使用壽命關系著整機的運行和煤礦的生產，對使用壽命進行把關有著重要的意義，為此，根據標準的要求和實際工作中的一些經驗，設計了一種新型的使用壽命試驗臺，并投入實際使用中，取得了良好的成效。

1? 設計條件及數據

1.1 設計條件

①密封容器內儲有粒度小于0.635mm的煤粉，煤粉量為32kg/m3。

②將托輥安裝在密封容器內，調整拉緊力，使托輥承受實際使用負載的2.25倍的試驗負載。

③電動機驅動托輥以實際使用時3倍的轉速運轉，每運轉5h，停止1h。

④檢測過程中，密閉容器內應每小時以0.5MPa的壓縮空氣持續吹拂煤粉5s，模擬煤粉飛揚的工況條件。

⑤托輥運轉累計時數應不小于600h，運轉過程中托輥不得堵轉和損壞。

1.2 原始數據（以直徑φ159mm×600mm托輥為例）

①托輥實際轉速n=400r/min;

②托輥極限承載能力F=2.11kN;

③托輥直徑D=159mm（半徑R=79.5mm）;

④托輥長度L=600mm。

2? 方案擬定

根據圖1所示，傳動帶繞過電動機驅動輪后，內側帶動兩個托輥以高壓力和高轉速旋轉，下面對幾種傳動帶進行分析比較：

①V型三角帶。僅側面為工作面，承載能力大、傳遞功率高、傳動比大，但內側面需與托輥接觸，而無論承載力還是傳遞功率都遠不及側面。大量試驗也表明，其內側面在很短時間內就會發生斷裂，不能滿足圖1要求。

②平帶。結構簡單，傳動中心距大，且內側面為傳動受力面，滿足圖1要求。但要求所跨兩根或多根輥軸必須平行，否則易偏離原軌跡甚至脫出。因托輥直徑、長度、短軸直徑不同，在試驗過程中需要人為不斷調整，無法達到輥軸平行。經過驗證，平帶極易跑偏，無法滿足長時間運轉的要求。

③多楔帶。相當于平帶和V型帶的組合結構，雖然運轉平穩，傳遞功率大，但因其內側面不是工作面，故與V型三角帶一樣，不能滿足要求。

④同步帶。傳動屬嚙合型帶傳動，其內側面為齒形，而托輥表面是光滑的，無法直接作用在托輥上，即使在托輥軸端增加從動齒輪帶動托輥轉動，卻不符合圖1所示的受力條件，故亦排除。

由于市場上傳動帶的種類有限，故將圖1中托輥的加載方式由拉力變為壓力，如圖2所示，圖中壓緊裝置靠壓緊輪緊壓在兩個托輥上并帶動托輥轉動，而壓緊裝置通過從動輪與電動機輪的傳動實現轉動，傳動形式如圖3所示。

3? 主要結構與參數設計

3.1 箱體

3.1.1 箱體結構

根據設計條件及原始數據，箱體應為密封箱;考慮性價比及穩定性，確定箱體由厚度5mm 的Q235-A鋼板整體焊接，且在箱體內側四周焊接4mm厚的鋼板，以增強箱體穩固性和密封效果。箱體一側焊接15mm厚的鋼板，并用2塊15mm厚的三角板作為加強筋，用作電動機底座。

3.1.2 箱體尺寸

為滿足最大規格托輥（φ245mm×1000mm）、且同時可做兩根的試驗要求，同時最大程度降低損耗和成本，確定采用箱體外形尺寸為1174mm×900mm×540mm。

3.1.3 底腳設計

為增強箱體穩定性并考慮移動方便，設計了4個圓柱形底腳（尺寸φ50mm×80mm），并在底腳下固定10mm厚橡膠墊，用于減震。為增強箱體強度，也便于底腳的安裝。箱體結構如圖4所示。

3.2 壓緊輪的設計

3.2.1 材料的選擇

因壓緊輪需帶動托輥長時間運轉，且兩者間的壓力較大，試驗時箱體處于密封狀態，產生的熱量較大，因此壓緊輪材料應選擇耐磨損、耐高溫的非金屬材料，最后確定材料采用尼龍1010-12型。

3.2.2 尺寸的確定

由圖1可知，壓緊輪工作時需同時壓住兩個托輥并加載。根據最小和最大直徑托輥數據以及箱體和夾具尺寸，確定壓緊輪直徑為D1=450mm（半徑R=225mm）。為延長使用壽命，滿足最小長度托輥加載需要，將寬度確定為h=100mm。壓緊輪示意圖見圖5。

3.3 軸的設計

3.3.1 材料的選擇

軸的材料采用45鋼，熱處理為調質。

3.3.2 輸入功率

查機械設計手冊，取尼龍和鋼的摩擦系數為0.48，通過對托輥的受力分析，壓緊輪對軸的壓力為1.16kN，摩擦力f=？滋F1=0.56kN。

3.3.3 軸徑

根據機械設計手冊軸用材料系數表，取系數A=103。軸的輸入端直徑為：

考慮到軸端有鍵槽，軸徑應增大4%～5%，軸所受自重及承載較大，取該段軸徑d=42mm。圖6所示為軸的三維視圖。

3.3.4 軸承

考慮到試驗環境為煤粉飛揚的密封空間，同時軸承受到徑向力和軸向力作用，轉速較高，載荷大，故選用兩側密封的深溝球軸承6208-2LS。

3.4 傳動帶的選型

壓緊裝置通過三角帶帶動從動輪轉動，作用于從動輪的轉矩應與壓緊輪轉矩相等。下面分析其傳動形式。

已知壓緊輪受摩擦力f=？滋F1=0.56kN;合力f總=f·cos34.5°=0.46kN;壓緊輪半徑R=225mm;從動輪半徑r=79.5mm;從動輪受拉力：

即三角帶所受拉力，也即驅動輪所受拉力。

設計驅動輪半徑，r1=34mm，則電動機輸出轉矩為

設計從動輪直徑145mm，壓緊輪轉速由設計值計算為517r/min，壓緊輪的轉速等于從動輪的轉速，則從動輪的線速度為：

查機械設計手冊，確定三角帶采用SPB或加強B型。又根據箱體尺寸和壓緊裝置升降范圍，最終確定選用的三角帶長度為1700mm，即SPB1700或B-75型三角帶。

3.5 電動機的選型

3.5.1 電動機類型

按工作條件及要求，選用Y系列一般用途的三相異步電動機即可。

3.5.2 電動機效率

由上述計算結果可知，三角帶傳遞功率即為電動機輸出功率。電動機輸出功率：

3.5.3 電動機轉速

由上述計算結果可知，驅動輪線速度和從動輪的一致，求得驅動輪轉速為：

4? 強度校核

4.1 鍵連接的強度校核

與壓緊輪聯接處的A型平鍵（尺寸為12mm×8mm×113mm）因受到較大載荷，故需進行校驗。

4.2 軸的強度校核

首先根據軸的結構圖，畫出軸的計算簡圖。對于選用的軸承，由于其對中性好，所以支點就在軸承的正中位置。因此，作為簡支梁的軸的支撐跨距為210mm。根據軸的計算簡圖繪出軸的彎矩圖（圖7）和扭矩圖（圖8）。

因為軸的材料為45鋼，由軸的常用材料性能表查得：[？滓-1]=60MPa，？滓ca<[？滓-1]，所以該軸滿足安全性要求。

5? 試驗臺使用情況

試驗臺可對托輥加載力、加載速度進行監測，自動記錄托輥達到失效時所運轉的時間，并可控制電動機停止運轉。試驗中為了滿足不同托輥對運轉速度的要求，電動機采用變頻控制。為了實現自動控制，控制系統采用AT89C52作為核心控制芯片，對電動機的運轉、數據的運算和顯示進行控制。控制系統的組成包括電源、控制芯片、各種傳感器、信號轉換元件、擴展芯片、數碼管以及各種輔助元件。試驗臺建立后，可完成Ф76～Ф245不同規格托輥的檢測，覆蓋了現有產品的全部規格，豐富了測試中心的檢測手段。

6? 總結

該試驗臺具有以下幾個創新點：①該設備采用新思路，把標準所要求的拉力轉換為壓力，巧妙避開了皮帶內側無法對托輥施加較大拉力的缺陷，采用了耐高壓、耐磨損、耐高溫的非金屬材料對托輥施加壓力的方法。②結構緊湊，箱體空間大，可以做任意直徑托輥的試驗。③電動機底座采用絲杠滑臺，移動電動機更輕松，更順暢。④加裝帶刮灰功能的后觀察窗，在煤粉飛揚的試驗過程中隨時可以觀察試驗情況。

但也存在以下幾點不足：①試驗過程是針對托輥使用壽命的高強度試驗，故設備壓緊裝置較重，如需更換B型三角帶或軸承則較麻煩。②試驗時需手動安裝托輥，因此無法保證兩個托輥完全與壓緊輪平行，故在壓緊時會出現壓緊輪無法與托輥完全貼合情況，試驗過程中會出現壓緊輪局部過熱現象。③試驗過程中由于需對托輥施加2.25倍壓力和3倍的轉速，加之手動安裝無法完全平行等原因，造成即使箱體用膨脹螺絲固定在地面上，仍會有較強的震動。

參考文獻：

[1]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].八版.機械工業出版社，2010.

[2]陳秀寧，施高義.機械設計課程設計手冊[M].三版.浙江大學出版社，2010.

[3]MT821-2006，煤礦井下用帶式輸送機托輥技術條件[S].中國標準出版社，2006.

[4]北京起重運輸機械設計研究院，武漢豐凡科技開發有限責任公司.DT（A）型帶式輸送機設計手冊[M].冶金工業出版社，2013.