带式输送机托辊失效原因与改进措施分析

李 仟

(神东煤炭集团皮带机公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

0 引言

带式输送机具有运量大、加工成本低廉、维护保养简单等优点，随着我国经济的飞速发展，煤矿用带式输送机使用量越来越大，人们对胶带机产品的使用工况、产品性能的要求也越来越高。带式输送机的发展趋势也应逐渐向低碳、节能、高效、绿色、智能化机型转变，以满足长距离、大运量的发展需求[1]。

托辊是带式输送机应用数量最多的部件，重量约占整机的35%，价值30%左右，胶带机完成一个开采工作面后，大量的托辊报废，无法使用，经济损失巨大，托辊质量的好坏直接影响整条胶带机的使用性能[2-4]。

1 普通托辊的组成及失效原因分析

普通托辊主要由筒皮、密封、轴、轴承、轴承座、轴挡等附件组成[5-8]。现在国内市场托辊普遍采用Q345B焊管，60000型系列滚动轴承、冲压式轴承座、迷宫密封等附件。托辊整体结构如图1所示。

1.1 托辊筒皮、轴及轴承座

在托辊运转过程中，轴承座和筒皮受不同程度的交变应力作用，因疲劳失效导致损坏，则托辊轴失效原因为拉扯断裂失效。通过大量的实践计算得出，托辊轴、筒皮、轴承、轴承座这些附件不会同时失效，作为单个附件时使用年限都特别长，也都能满足使用要求。但当它们作为附件共同组成托辊时，单一附件的失效就会引起连带失效。例如，托辊筒皮很难断裂，但经过长时间的磨损影响托辊的同轴度，同轴度降低后托辊的各项性能指标如径向跳动也会随之下降，随着托辊筒皮性能失效后托辊的整体性能指标也将无法满足使用要求。同时，筒皮使用的钢管本身的加工质量对托辊的使用寿命也会产生一定的影响。

1.2 密封件、锂基脂及轴承的失效

密封件的失效：目前，托辊的密封大部分采用迷宫密封，即在密封内部设计一个污染物存储区域，当杂质进入托辊后，托辊通过转动将杂质旋转甩入污染物存储区域有效存储，从而延长污染物进入轴承附件的时间，图2为迷宫密封简图。这种密封可以短时间起到良好效果，当托辊长时间使用时，进入存储区域的污染物越来越多。当托辊无法通过离心力的作用积存更多的污染物时，托辊轴承也就会受到污染，将会影响轴承的整个润滑系统，这也将导致托辊的旋转阻力增大，影响托辊的使用性能和寿命。

锂基脂失效：托辊轴承中填充锂基脂，在使用过程中锂基脂的性能也会产生一定的变化。这主要是由于：①锂基脂经过反复的剪切力作用结构改变；②润滑脂基油逐渐氧化；③尘埃和水分等杂质的侵入；④基油的蒸发及脂的泄漏等的影响。基于以上原因，锂基脂润滑效果不良，轴承反复摩擦滚动面温度增高将会发生灼伤，这种现象就是锂基脂失效导致轴承失效。为确保锂基脂的使用效果，应选择合理的型号且质量合格的润滑脂。

轴承的失效：导致托辊轴承失效的原因较多，密封效果不良导致污染物进入轴承破坏轴承的润滑系统；轴承本身存在疲劳失效；筒皮、轴等附件不同心及锂基脂润滑效果不良等等。这些因素都将导致托辊的使用寿命低于轴承本身的使用寿命。

轴承失效的原因：①锂基脂注入量低于轴承空隙的2/3，轴承中的油脂流失、变质后，轴承处于干摩擦运行状态，从而加快轴承的损坏；②外界的水和潮湿空气等杂质侵入轴承，使轴承内部钢结构腐蚀，无法转动;③托辊密封效果不良，杂质大量进入轴承，轴承不能转动；④轴承加工质量不合格及在托辊加工过程中轴承装配不合格。由以上分析可知，托辊的密封系统影响着润滑脂的性能，润滑脂的性能影响着轴承的使用寿命。

2 托辊性能指标

2.1 运行阻力系数

托辊运行阻力系数是反应带式输送机运行的关键，轴承的型号种类、游隙、填充锂基脂型号、密封结构等因素都将对托辊的旋转阻力产生一定的影响。托辊加工装配精度不同旋转阻力值也不同，普通托辊的旋转阻力一般在3 N左右，低阻托辊阻力可以降到1.2 N以下，运行阻力增大后托辊转动不灵敏，甚至会变成滑动，严重影响带式输送机的功耗，也会磨损胶带机的带面，降低整机的使用寿命，这将增加矿井单位对胶带机使用维护成本，严重时会造成停产事故。除此之外，带式输送机的运行阻力与输送带带面种类、钢结构架体重量和物料的变形阻力有直接的关系。

2.2 托辊的径向跳动及轴向窜动

托辊径向跳动值对高速运行的胶带机影响很大，严重时会影响胶带机的运行。一般允许范围是0.5～1.9 mm，也与筒皮直径有关。同时，径向跳动越大托辊产生的噪声也会增大，减小径向跳动的方式是采用质量好的无缝钢管、圆锥辊子轴承。同时应符合GB/T 10595和MT821的规定，具体要求应符合表1的规定。

表1 径向跳动

在托辊受轴向荷载力时，托辊轴也会产生轴向窜动，窜动值要小于规定数值。

2.3 托辊重量

托辊越重，运行阻力越大，同时还会影响输送机的运行稳定性，电动机的功率消耗，输送带及托辊自身的寿命。托辊越重，启动和运行托辊所需的功率越大，虽然旋转一个托辊所需的功率不大，但在运行距离达到6 000 m胶带机上，托辊数量在16 000个左右，带动大量托辊转动需要耗费很大的驱动功率，所以在对长距离胶带机的开发过程中，托辊重量是必须要考虑的因素。托辊减重、钢结构架体轻型化设计是设计人员必须要考虑的技术指标，可有效降低胶带机拆装、搬运时的人工劳动强度。

3 提高托辊寿命的措施

开发长寿命托辊是现代化胶带机发展的必然趋势，因此可以通过改变密封结构、使用专用轴承、减少加工误差、采用轻型材料减重降阻等措施提高其使用寿命。

3.1 采用组合式密封

继接触性密封和迷宫式密封设计形式下创新设计出一种新的密封结构—组合式密封，该密封在出厂时组装完成不需要托辊生产单位分步压装，一次压装后密封自动打开间隙，回弹。密封采用非金属材料，在压装时可以利用自身的材料特性打开合适的密封间隙，减小旋转阻力。同时将密封组件过盈的压装在托辊轴承座内，可不影响密封间隙。组合密封具有一定的低阻性能，防水、防尘效果也好于迷宫式密封，能有效地避免杂质污染轴承。与托辊装配后浸水试验指标不大于40 g，保证托辊5万小时寿命的密封有效性。

3.2 采用专用低阻轴承

采用C3游隙专用低阻轴承代替普通轴承，轴承出厂前注油，在出厂以后无需注油和维护，避免托辊生产过程中因不按工艺要求注油，导致的产品质量问题。从结构上分析，托辊专用低阻轴承使用寿命远大于圆锥辊子轴承使用寿命，托辊旋转阻力也会大幅度降低，使用寿命可达5万小时以上。低阻轴承使用PA66+玻璃纤维非金属保持架，在出厂前注油，出厂后产品全寿命无需注油及维护，且填充的油脂量少于普通轴承，以降低托辊旋转阻力。

3.3 减少加工制造误差

目前加工工序有原材料准备、切管、车止口、轴承座压装、焊接、轴承压装、密封压装、调整、车沟槽、安装轴挡、涂漆、打包、标识入库。加工质量是影响托辊质量的重要因素，部分托辊生产厂家的加工工艺和设备精度不能保证设计要求，造成旋转阻力增大甚至不能转动。因此，只有改进加工工艺和更新设备才能制造出高质量的托辊，同时确保每一道工序都能按照工艺标准加工，减少累计误差，通过设计专用的工装卡具减少加工制造误差，提高产品质量。此外，设计专用加工工装，采用专用压装头一次性将密封压装到位，定程压装精度高，可有效控制轴窜，提高托辊可靠性能，降低径跳指标，进一步达到降阻、延长使用寿命的目的。

3.4 减重降阻的措施

轴承：与轴承厂家合作，提升轴承加工精度、确定轴承材料选型、表面硬度、工作游隙，并通过油脂填充和优化轴承内部结构等措施实现轴承静音，在轴承不受污染的情况下由8万小时提高到12万小时。装配后整体提高托辊的使用寿命，确保在井下运行时达到10万小时。

辊壳：采用辊壳薄、重量轻、耐磨性好的钢制材料代替传统的焊缝钢管，提高耐磨性、耐腐蚀性，降低托辊自身旋转重量及旋转阻力，保证托辊寿命10万小时运行时间。不锈钢具有良好的冷热加工性能，各项物理性能指标接近碳钢，该材料用作托辊筒皮具有管体薄、重量轻、耐磨性好等优点。筒皮重量减轻后，托辊自身旋转重量及旋转阻力将相应的降低，最终达到整机降阻的目的。

轴：提高轴的加工质量，轴的不圆度对托辊的旋转阻力和径向跳动也会产生很大的影响，选用机加性能好、抗弯能力、直线度、同轴度优的托辊轴可以有效地降低托辊的径跳值。

轴承座:优化轴承座材料，提升强度、减少厚度，降低旋转重量，从而降低阻力。

提高装配质量与加工精度：采用精度可靠的加工设备、制定完善加工工艺、确保材料入场检验合格，有效控制过程检验，达到产品合格率，从而降低径跳指标，进一步达到降阻、延长使用寿命的目的。轴承座焊接过程要采用双头自动焊接机床，确保筒皮的同轴度，在生产过程中严禁用手锤敲打筒皮、压装过程中要选取合适的压装压力。要想生产出优良的托辊就必须加强过程控制检验手段，确保每一道工序都能满足工艺要求，另外成品托辊在运输存储的过程中也要加以保护，多管齐下才能确保出品高质量的托辊。

4 结语

普通托辊主要问题是：使用寿命短；运行阻力系数大；密封效果差；结构不合理；润滑和受力性能不好；加工制造精度不高。随着长距离、大运量、低碳、智能胶带机开发技术的广泛应用，普通托辊已无法满足现阶段的市场需求，为此迫切需要研制轻型低阻力托辊，通过降低单只托辊重量和旋转阻力进而降低带式输送机整机重量和运行阻力，同时延长托辊使用寿命，大幅度减少维修费用，减少矿井对托辊的资金投入量，提高带式输送机托辊运行的安全可靠性和经济性，有效地提高所配套带式输送机运行效率。对带式输送机的研究、设计及生产单位实施带式输送机托辊技术创新有一定的借鉴意义。

托辊失效的原因是密封失效引起轴承失效，轴承失效引起托辊失效。同时托辊辊壳材质、密封形式、轴承种类及轴承座的加工精度和托辊的同轴度对托辊使用寿命的影响也很大。因此在保证加工精度、减小旋转阻力的基础上，从根本上改变密封结构提高密封性能，辅以采取新型材料减轻托辊重量是延长托辊使用寿命的直接有效手段。实现托辊长寿命、低阻力，从而提高带式输送机的使用性能，还可以收到显著的节能降耗效果。托辊是胶带机的关键组成部分，对胶带机的影响巨大，通过对托辊性能指标分析，在现有矿井，若能将托辊的使用寿命提高10万小时左右，减少托辊的使用损坏率，将会创造很高的经济效益。