超高分子量聚乙烯托辊的理论研究

李惠

摘 要：普通金属托辊产品仅适用于一般生产场合要求，而在对噪声、静电要求较高的矿井，使用寿命长则6个月，短则1个月，给生产带来了极大的制约和危险，安全事故频频发生，造成较大的损失，同时能耗较高。鉴于托辊的使用数量和消耗能源的巨大性，对传统金属托辊的改造迫在眉睫。据此，我们根据国内外技术现状，在普通金属托辊的基础上，通过技术、结构、工艺设备等创新，研制超高分子量聚乙烯托辊。文章主要介绍了对超高托辊理论研究的几个方向，对下一步托辊试制及以后的生产做好准备。

关键词：超高分子量聚乙烯；玻璃微珠；改性

1 现状

托辊是带式输送机上的重要部件和易损件，其质量好坏直接决定带式输送机的使用寿命和成本多少。目前国内外带式输送机中普遍使用金属托辊，它存在使用寿命短（约3万h）、运行阻力大、托辊重量重、运行噪音大等缺点。

非金属高分子托辊是近年出现的一种新型产品，它是目前带式输送机行业对托辊向轻型化、超耐磨性要求和发展方面最理想的代替产品，国外此类产品开发的较早。我们国家近年有些企业也在开发高分子托辊产品，但一直没有形成统一的标准和规模。

我公司带式输送机上的托辊，现在使用的是钢制的，结构较复杂，不易维修，其使用寿命一般只有3个月，使用中还容易“卡壳”，易锈蚀，故障率高。为此，我公司准备用超高分子量聚乙烯塑料（UHMW-PE）制造皮带运输机上的托辊。由于超高分子量聚乙烯塑料具有很好的耐冲击、耐磨、耐腐蚀、自身润滑、吸振等特性，制成的超高分子量聚乙烯塑料托辊，其耐磨性好，使用寿命是钢托辊的3～4倍；由于有自润滑功能，可以不用滚动轴承，因而也不會发生“卡壳”，故障率低；耐腐蚀性能好，在潮湿和有浸蚀性环境下作业比钢制托辊更具优越性。但该产品不耐高温，工况温度应在低于90℃下使用，在有防爆要求的工况下，必须采取有效的防静电及阻燃技术措施。

2 超高分子量聚乙烯托辊研究方向

在皮带机运量和带速确定的情况下，胶带的水平运行阻力的大小主要取决于托辊的阻力系数，因此，非金属轻型化托辊的开发主要在于：降低托辊阻力系数，同时可以提高托辊使用寿命、改善皮带机整机运行条件和减轻工人的劳动强度。超高分子量聚乙烯托辊的优异的综合性能使它成为钢托辊的最佳的替代品。

2.1 性能

2.1.1 耐磨损性能

超高分子量聚乙烯（U HMW 2PE） 是一种新型的工程塑料， 它具有耐磨损、耐腐蚀、耐冲击性能， 自润滑为铜的数倍。

2.1.2 冲击性能

超高分子量聚乙烯的冲击强度是既存塑料中最高值， 即使在- 70℃时仍有相当高的冲击强度。

2.1.3 自润滑

超高分子量聚乙烯具有很好的自润滑性能， 摩擦系数小， 如表1 所示。

表1 几种材料摩擦系数的比较

2.1.4吸水率

超高分子量聚乙烯的吸水率在工程塑料中是最小的（见表2 所示）。

表2 几种常见工程塑料的吸水率（%）

2.1.5 机械性能

表3 是超高分子量聚乙烯的机械性能与尼龙的比较。

表3 超高分子量聚乙烯和尼龙的机械性能

2.2针对超高分子量聚乙烯的特性， 结合钢托辊的生产经验，进行以下几方面的研制。

2.2.1 超高分子量聚乙烯托辊辊壳研究方向

超高分子量聚乙烯虽然有许多优良特性但也有许多不足：硬度低、强度低、耐热性能差、有蠕变性等，为了弥补这些不足和进一步提高其耐磨性可对其进行填料（超细玻璃微珠、二硫化钼、滑石粉、玻璃纤维、碳纤维、聚四氟乙烯）改性。

综合考虑比对各种添加剂对超高分子量聚乙烯性能的影响，我们采用玻璃微珠对超高分子量聚乙烯进行改性。玻璃微珠具有导热系数低、质轻、无毒、化学性能稳定、耐高低温、电绝缘性和热稳定性好等特点，而且在聚合物中的分散性也比较好。玻璃微珠与碳纤维相比，它是一种成本低廉、性能优良的理想塑料填料，利用粉煤灰中的玻璃微珠不但能改善塑料等高聚物的综合性能、降低成本，而且能减少环境污染，变废为宝，利国利民。超细玻璃微珠添加到超高分子量聚乙烯中后，分散均匀，使其耐磨性好、应力集中小、冲击强度下降缓慢、硬度大、并能提高其刚度、抗压性、阻燃性、提高加工性能等。通过参照刘光建老师的相关实验，结合托辊生产经验，制定超高分子量聚乙烯与玻璃微珠之间的配比，使改性后所形成的托辊辊壳能够满足实际使用的需要，并较钢托辊有很大的改进。

2.2.2 托辊轴承座研究方向

托辊现在使用的轴承座是碳素结构钢，重量较大，托辊的运行阻力相对也较大。如采用高分子材质的轴承座，不仅能够降低托辊的重量，同时减小它的运行阻力。ABS树脂具有良好的耐热耐磨性、抗冲击强度高、表面硬度高、尺寸稳定、及电性能良好等特点，鉴于它优良的综合性能，采用ABS轴承座替代现用的轴承座，并通过对它结构的改进设计，不仅降低了托辊的总重量，减小托辊的运行阻力，从而提高托辊的整体性能。

2.2.3 提高托辊加工工艺可靠性研究方向

目前公司托辊生产的工艺比较老化，大多工序都要人工进行操作，误差较大，产品的可靠性和精度较差。因此，新型托辊要与国内外相关厂家联合开发国际最先进的全自动轻型托辊生产线，实现主辅分离、全自动加工转接装配，辅线以轴、轴承座全自动加工中心为主，主线完成托辊的全自动装配。配件实现高精度加工，托辊采用定程压装、全自动焊接和装配，在工艺上完全满足托辊高精度装配，保证生产出高品质托辊。增加托辊成套检测、试验设备，完全具备模拟工况的试验条件和产品数据的全面检测分析，为托辊提供精确的设计依据。

3 结束语

超高分子量聚乙烯托辊与金属托辊相比具有很大的优越性。它具有较低的运行阻力；具有很好的冲击能吸收性，能有效地降低运行噪声，可以使带式输送机实现长运距、大运量、高速度的运转工作；使用寿命长（一般在10万h以上），托辊重量轻（一般仅为同规格钢托辊重量的 1/ 2～2/ 3），大大的降低了运行成本和劳动强度，使安装更换更方便，同时也减轻了托辊的使用维护量。

高分子量聚乙烯轻型托辊的设计开发，理论上可以使托辊的阻力系数降低30%，使托辊旋转重量降低50%以上、使用寿命至少增加一倍，并最大程度降低托辊的阻力系数。实现真正意义上的低阻力运行，同时也会为我国在皮带机传动计算理论方面产生重大变革。

参考文献

[1]刘光建.超高分子量聚乙烯[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2]曹民干，陶梦山.粉煤灰玻璃微珠对超高分子量聚乙烯性能的影响[J].塑料，2004（33）：2.

[3]马 ，黄丽.玻璃微珠改性超高分子量聚乙烯的耐热性能[J].北京化工大学学报（自然科学版），2010（37）：2

[4]黄丽.高分子材料[M].北京：化学工业出版社，2005.