礦用帶式運輸機托輥結構優化研究

劉鵬洋

帶式輸送機在礦山生產中的占有重要地位，對礦山生產的效率產生了直接的影響。帶式輸送機通過在托輥上水平移動輸送帶，并通過托輥進行連續旋轉來實現物料輸送。托輥可以將水平運動轉化為旋轉運動，而且還需要支撐施加在托輥上的物料的重量，因此托輥的間距需要注意。如果間隙過大，滾筒之間的輸送帶會出現變形，從而增加了輸送帶的受力，隨著傳送帶速度的增加，受力也會不斷增加，嚴重影響傳送帶的使用壽命。如果托輥間距過小，則會增加安裝成本。因此需要注意托輥間距，并進行合理設計。研究優化托輥設計可以有效提高礦山生產設備的使用壽命，增加礦山生產的經濟效益。

1 托輥的種類

1.1 托輥的種類

1.1.1 托輥的材料

普通托輥的軸、軸承和滾筒通常由鋼制成，但它們的耐腐蝕性和耐磨性等性能較差。為了達到降低托輥質量、提高性能、延長使用壽命的目的，如陶瓷托輥、橡膠托輥、塑料托輥、聚合物基復合支撐托輥等非金屬托輥被不斷研發。傳統材料已不符合現階段工業發展的需求，因此，當前的發展趨勢是對聚合物基復合材料的研究，聚合物基復合滾輪已經有很多專利，但我國在該領域的技術還處于起步階段。因此，性能優良、價格合理、應用廣泛的聚合物基復合材料是未來研究的目標。

1.1.2 滾筒的種類

滾輪主要分為槽滾輪組、回程滾輪組、防偏滾輪組、緩沖滾輪組和特殊滾輪組。在設計過程中需要參照相關標準，從而設計出更加合理的結構，以提高工作效率。目前一些特殊工況的輥筒已經被研發，如深槽角輥、表面噴膠輥等。托輥是需要長時間不間斷運行的設備，因此，使用壽命長、結構合理、耐腐蝕、抗沖擊等良好性能是目前托輥設計所追求的目標。

1.1.3 托輥的型式

（1） 槽形托輥。托輥成組安裝在運輸裝置上。上輥組可以是單個輥組和兩個或三個傾斜輥組的平行輥組。中間輥水平布置，側輥槽角度一般為35°和45°。最常用的輸送機是向前傾斜度最小的35°槽形托輥。有三種選擇：前傾托輥、部分前傾托輥、無前傾托輥。最小凹槽可將框架高度降低，減小等效的托輥組間距，可用于輸送帶剛度小、空間小的場合。

（2）緩沖托輥。緩沖托輥安裝在輸送機的接收部分，以保護輸送帶。保護裝置的前體與最低標準相同，有兩個35°和45°的槽角。如果選擇以面為中心的傳送帶，則只能使用35°傾斜緩沖托輥。如果選擇45°槽形緩沖托輥，可在不接觸材料的導槽部位使用。

（3）調心托輥。調心托輥用于自動糾正輸送帶在運行過程中的過度偏差，防止輸送帶扭曲，確保輸送帶穩定運行。需要在傳送帶上安裝調心托輥，通常每十組配備一個調心托輥。

（4）回程托輥。標準回位托輥類型為平行下輥，也是最常用的下托輥。大型運輸機也可以使用兩個槽。兩個托輥呈V形布置，以防止偏差并增加承載能力。大多數方法是每七組平行下托輥設置三組V型托輥。

（5）過渡托輥。對于大容量、長距離、張力大和關鍵載體，通常需要設置過渡段，即過渡輥所在的位置。

（6）螺旋自清掃托輥。螺旋托輥用于清潔連接到傳送帶表面的材料。它的功能與清掃器相同。通常，靠近輸送機頭部滾筒的下部組設計為螺旋托輥。

1.2 托輥的結構

帶式輸送機托輥主要由滾筒、軸承、軸承座、密封結構等組成。帶式輸送機的工作需要通過托輥運行時產生的摩擦力，帶動托輥裝置轉動，實現物料的轉移。因此，為廣泛的應用設計高質量的滾輪，需要在滾輪部件的設計和材料選擇等方面做出創新。托輥結構的優化設計可以實現密封結構和軸承兩方面的創新。

1.2.1 密封結構

托輥密封結構的創新可以大大提高滾筒的防塵防水性能，降低滾筒的運行阻力。目前一種具有磁性液體密封的托輥被有效應用，大大提高了工作時的液體端面密封和液體離心密封，減少了運行阻力，并提升了密封效果。

1.2.2 軸承

軸承是托輥的主要部件之一，對托輥的性能具有很大的影響。目前深溝向心球軸承和圓錐滾子軸承是較為常見的軸承，兩種軸承各有優缺點。例如，上海運輸機械研究所研發了一種可以在極其惡劣的環境中運行，使用壽命長、滾動阻力低的特種軸承。同時，新材料軸承不需要密封，具有自潤滑性能，而且制造成本非常低，耐磨性和耐高溫性能非常好，使用壽命長，可以大規模生產制造。另外，對于英國開發了大游隙大滾珠特種深溝軸承，德國開發了凹槽式大游隙軸承，這兩種軸承的內徑為7mm～10mm，軸向游隙可達100mm～0mm，這兩種軸承即使在惡劣的環境下也具有良好的潤滑性能，使用壽命也非常，是普通滑動軸承的三倍。

2 影響托輥性能的主要因素

我國滾輪設計精度低，制造技術落后，并且檢驗檢測的方法存在缺陷，制造標準也不嚴格，最終導致落后于發達國家。目前對托輥結構和材料的改進研究較多，對托輥微觀損傷機理的理論分析尚缺乏，如現場噪聲、頻率、尺寸穩定性、溫度等因素對托輥的影響托輥質量，影響性能，影響尚不明確，改進這方面的技術可能為優化托輥設計和技術完善提供更成熟的理論基礎。對帶式輸送機托輥的研究主要集中在托輥的類型、結構和性能方面，但對性能試驗的研究相對較少。

2.1 托輥軸承影響托輥性能

目前，我國生產的托輥在不同的工作環境下選用不同的軸承。在通常情況下，采用的是大游隙球軸承，而在惡劣的工作條件下通常使用深溝向心球軸承和圓錐滾子軸承。機器運行時，內部干油脂停留在滾動元件之間，不會自動排出。滾動阻力增加，過度磨損會縮短機器的壽命。因此，在選擇軸承時，盡可能多地使用特殊軸承，這可以顯著減少磨損，增加軸承的使用壽命，并增加托輥的使用壽命。

2.2 托輥的密封結構和潤滑方式影響托輥性能

密封結構和潤滑軸承方式是影響托輥性能的另一個重要因素。密封軸承模式是決定托輥成敗的重要因素。軸承密封件的制造有三種密封方法：迷宮密封、接觸密封和組合密封。其中，迷宮密封的缺點是座圈阻力低，防塵性能好，防水性能較差，密封效果差。此外，在低溫環境下工作時，密封輥阻力呈指數增長，影響機器的正常運行，降低使用壽命。接觸式密封具有良好的密封效果，但存在循環阻力大的缺點。組合式密封結合了前兩點優于密封的優點，密封效果和使用壽命大大提高，是延長托輥使用壽命的有效手段。

2.3 輸送帶垂直度影響托輥間距

托輥是直接作用于輸送帶，如果輸送帶過于垂直，則傳送帶的阻力將在運行期間增加，能耗也將增加。隨著輸送帶磨損的增加，會導致使用壽命大大縮短。如果輸送帶的垂直度太小，應增加托輥的數量，以增加輸送帶的張力。因此，輸送帶必須堅固，對電壓裝置的要求自然很高，造成了更多的投資和一定的浪費。因此，張力會影響托輥之間的距離，應特別注意。由于工作過程中托輥的偏心，托輥成為激勵輸送帶的振動源，導致輸送帶的強迫振動。激勵頻率受慢運動速度的影響。為避免傳送帶發生共振，兩條傳送帶應錯開。此外，托輥距離不能盲目按理想情況設計，特殊運輸材料的距離要求也不同。運輸散裝材料時，當材料重量較大時，輥間距離不得超過材料長度的1/2。特殊質量材料和低密度材料所需的距離也不同。因此，有必要根據具體情況進一步分析輥間距離，然后確定合適的距離。

2.4 材料特性對托輥間距的影響

在實際應用中，需要根據被輸送物體的特性來分析托輥的間距。一般來說，物料可分為結塊和散粒兩種，由于結塊物料的質量與輸送帶的寬度有一定的關系，如果質量符合設計要求且數量超過25，則間距控制在進料長度的1/2以內。隨著密度的增加，托輥的間距會逐漸減小。另外，托輥的間距與輸送帶的線密度成相反的比例，輸送帶的寬度越大，托輥間距離越小。在輸送過程中，張力始終在不斷變化，因此不能作為主要因素分析托輥間距。

3 托輥間距的合理配置原則

3.1 力的正確計算

在計算托輥受力時，力的計算比較復雜和困難，因此必須單獨計算，并使用正確的公式。首先要計算的是皮帶架的強度。在這部分計算中，首先計算滾動支路的阻力，然后計算回流支路的道路強度。其次，為了計算非活動構件的動荷載，也按相反順序進行計算，先計算承重支管，然后計算空支管。最后，下垂條件的計算仍然按照上述方法進行。計算需要清晰的思路，不能出現混淆，保證數據的精確，正確的單位標簽和非常熟練的各種系數。

3.2 嚴格進行數理分析

托輥之間的距離必須滿足以下兩個標準：一個是降低皮帶架的功率，另一個是最大限度地降低托輥的成本。必須對數理進行分析，以滿足上述兩個標準。在分析托輥間距變化對運輸機強度和托輥承載能力的影響時，從機組的最佳值中選擇理想工況，應根據設計計算條件進行解釋。首先，通過分析傳動條件之間的怠速凈化選擇來計算每個資源點的電壓。通常，對于角度相對較小且對傳動條件要求較高的皮帶架，相關特征點電壓的計算應根據傳輸條件確定。當托輥距離選擇達到該值時，帶式輸送機每個特征點處的電壓由偏轉狀態確定，不受運輸條件的影響。在數理分析的過程中，必須謹慎，仔細分析各種可能的損失，并選擇最佳的使用條件。

3.3 明確托輥間距選擇原則

在選擇合理的托輥間距時，應充分考慮上述分析，權衡利弊，并應考慮以下原則。第一，托輥之間的最大距離與皮帶架的長度成正比。因此，改變載體的長度將影響滾筒之間的距離。因此，在設計過程中應考慮這些條件，避免設計錯誤。第二，如果輸送機容量發生變化，托輥之間的距離也會相應變化。第三，當輸送機速度改變時，托輥間距最大值也將變化。第四，如果托輥齒輪旋轉部分的質量發生變化，則間距也會發生變化。第五，即使運輸機傾斜角度發生變化，怠速之間的距離也會不斷變化。

4 現有托輥存在的技術不足

托輥主要由托輥筒軸承座軸承和密封件組成。滾筒的密封結構非常復雜，迷宮式密封結構，其作用是防止環境中的塵土和水進入滾動軸承，使托輥在運行過程中也能保證穩定的密封，防止異物進入托輥內部，從而有效保護托輥軸承。但在低溫環境下，密封圈和轉軸的連接更加緊密，因為橡膠密封圈在低溫條件下會出現收縮，其收縮量要比金屬軸的收縮量大，對滾筒的運行產生了阻力，當帶式輸送機在啟動或運行時，會消耗大量功率。在礦山的長距離帶式輸送機上，需要使用了大量的托輥，這時的托輥運行阻力造成的電力消耗對輸送機的正常運行產生了很大的影響。

5 解決方案

在生產線設備不能滿足生產要求，采購專用輥筒生產線設備迫在眉睫。目前的托輥制造工藝是將托輥管切割，加工管端，將管子和軸承座焊接成管板，最后安裝軸承、軸、密封件、擋圈和端蓋。其中，管段的加工是關鍵工序，管段的加工受管段的加工設備、管材的原材料、操作者的責任等因素的影響。新工藝方法不受上述因素影響，不影響滾子外圓徑向跳動的品質因數。托輥管與軸承座的焊接方法有3種。①管與軸承座間隙配合裝配后組焊成管座。②將軸承座壓緊組裝好后，再組裝，焊接到管座上。③管與軸承座過盈配合，組裝后焊接成管板。

軸承座與管端面壓緊方式焊接方式有三種：第一種焊接軸承座和管端面的方法是管加工管擋，這也是我們目前使用的管加工方法，切割時管尖沒有輔助支撐。在切割過程中，管子的前端下垂，切割管子后，管子的橫截面出現橢圓誤差，所以管子的后端，即管子的橫截面，變成馬蹄形，不垂直于管的軸線。接下來的工序中，管擋是通過管端面和外圓定位的，管子是薄壁件，外圓是橢圓形，管擋加工后管子的厚度會不均勻擋塊，俗稱壁厚差。在管子與軸承座的配合設計中，周邊也有間隙，所以焊縫和間隙的大小，影響滾子外圓的徑向跳動性能指標，管子兩端的軸承座不同后，取決于操作者的技能水平和責任由焊接和裝配品質因數，滾子外圓徑向跳動超差。

第二種方法是在專用的雙端焊設備上直接焊接的方法，滾子管組裝時不加工管擋，滾子軸、軸承座、軸承和管子在焊接前組裝在一起，放在管子上。半成品滾輪專用的雙端焊接設備支架，兩端焊接，機器專用的可更換“雙對位夾具”工具可以保證軸承座和管子的壓力和同心度。軸承座與管端面之間的壓力帶動軸承座與管子同時旋轉進行焊接。可根據不同的管徑更換相應的夾具，更換后需要調整夾具系統以滿足要求，工作方式為：帶有內錐面的組合定位裝置被加長。管子放在外面，保證管子的外徑與輥軸同心。目的是保證滾管外徑與滾軸同心。然后將橫截面呈鋸齒狀的雙鍵定位夾具內套擴張，在管端擰緊軸承座，雙鍵定位夾具外套收縮露出焊接空間，內將雙鍵定位夾具的套筒壓在水晶胎上，工具同時旋轉軸承座和內胎，開始焊接。由于雙端焊接設備結構復雜，且第二種方法的雙鍵定位夾具精度要求高，需要根據不同管徑更換夾具，更換后進行調整。但這種方式已經過時，因為需要消耗大量勞動力，并且需要操作員具備一定的技能。

第三種方法是不對管端進行加工，管子和軸承座采用過盈配合，過盈量未知，但可以通過具體的試驗過程收集過盈量數據，壓入軸承座即可。內部冷擠壓。具體測試程序如下：從108mm×465mm管子上取管子倒角，根據資料，冷壓需要管段內徑倒角30個，30%的管道末端懸浮處理設備倒角。

6 托輥優化設計

托輥兩端加裝固定輪蓋，使輪蓋和輪軸端面平整，用較小的力配合固定，不隨輪管旋轉。此外，滾輪蓋與管體的連接部分設有密封圈，使滾輪蓋將軸與外界環境隔離，有效防止外界灰塵、水等有害物質進入軸承。可以根據經驗數據得到帶式輸送機的輥距，建立縱向相同的輥距。采用這種方法可以大大降低設計和加工的難度，但在實際應用中，仍然無法根據經驗數據獲得所有輥隙。因此，需要結合帶式輸送機的實際工況，優化托輥間距。滾筒之間的距離與輸送帶的線密度成反比，因此輸送帶的寬度越大，距離應選擇越小。同時，考慮到最小張力始終處于變化狀態，不能作為影響滾輪間距的主要因素。

托輥軸承座和管子在普通輥壓機上通過冷壓進行壓制，設備結構簡單。由于軸承座壓裝在管內，在軸承座壓裝過程中可以修正滾子管的圓度，使軸承座在焊接過程中不變形，提高了托輥制造工藝，使制造過程簡單可靠。同時，將管端擋塊加工設備改為管段倒角設備，降低了對設備性能的要求和精度。管子軸承座冷擠壓法從根本上解決了現有方法難以保證滾子滾動阻力和徑向跳動的問題。托輥全自動生產線采用無端托輥冷擠壓工藝，取消托輥停止工序，必要時重新編輯新結構托輥制造工藝代碼，在保證新結構托輥制造工藝的同時，自動化生產線末端托輥組裝成成品后，是兩個額外的過程，即在線自動檢測各托輥滾動阻力品質因數，在線自動檢測各托輥外圓徑向跳動品質因數，并保存打印檢測數據的功能。

7 優化后托輥的優點分析

7.1 設備成本造價低

優化的防偏托輥可在一般機修廠自制，防塵罩、定位環、輥輪架、迷宮盤所用的滾架均可采用原輥輪拆下的舊件。主軸使用32mm圓鋼，輥皮使用6寸管，防偏噴嘴用ZG35鑄件，定位套用1寸油管，軸承蓋和塞蓋分別用鋼板制成，壁厚分別為12mm和30mm。單價200元左右，大約是外包價的四分之一。整條皮帶使用1300個防偏轉輪，一次可節省77.4萬元。

7.2 設備壽命長

改進后的防偏托輥壁厚是原來的兩倍，防偏噴嘴采用耐磨ZG35鑄造，實踐證明，使用壽命是原來的兩倍。

7.3 方便的設備維護

改進的防偏轉輥易于維修。零件損壞后，一般機修店可以自行修理。尤其是滾壓、錠子、防偏噴頭可自行加工維修，方便快捷，為生產節約更多時間。

8 結語

新的結構設計提高了托輥軸承與環境的阻隔，也不再需要迷宮式密封結構，減少了帶式輸送機啟動時的阻力，降低了帶式輸送機托輥的運行和維護成本。對上述方案進行改進后，滾筒相關帶式輸送機技術已廣泛應用于礦產企業，大大延長了運行時間，有效降低了帶式輸送機的運行成本，提高了礦山生產效率，提高了帶式輸送機的性能，提高了其經濟性。改進后的帶式輸送機托輥使用壽命大大增加，停機和維修時間減少，很受現場工作者的歡迎。