高速高分子托辊设计及研制

边震 姜海 王金军 刘传营 罗德刚

摘要：煤矿开采技术的发展对运输系统的运力提出了更高要求。带式输送机作为井下原煤输送的主要运输手段，其运量主要受带宽和带速制约。现以1 200 mm带宽的带式输送机和？准159型号托辊作为研究对象，对影响带速提升的关键部件托辊进行重新设计和选型，设计了复合密封结构，在保证良好密封性的前提下，避免了外密封圈与托辊轴接触，既不损伤托辊轴，还降低了旋转阻力。新研制的托辊重量轻、摩擦系数小、耐腐蚀性强，辊皮采用超高分子量聚乙烯管材。通过井下现场试验，1 200 mm带宽条件下选择？准159型号托辊，带式输送机能长期运行在6 m/s带速，提速效果明显。

关键词：带式输送机;托辊;密封;辊皮;提速

0    引言

运输系统是煤矿生产的重要环节，带式输送机作为其主要设备，目前正向着高速化方向发展，本文为高速带式输送机设计了新型密封结构和新材料的辊皮，满足1 200 mm带宽带式输送机使用？准159托辊长期平稳运行在6 m/s带速的要求。

1    带式输送机高速化主要限制因素分析

带式输送机的运量取决于输送带的宽度和运行速度，以往的研究已经证明：运量相同时，窄输送带、高带速比宽输送带、低带速运行更经济，因此高带速是带式输送机的发展方向[1]。在国外，带式输送机带速已经达到8 m/s，有的甚至超过10 m/s。国内带式输送机运行速度较以前已有大幅度的提高，但与国外先进水平相比还有不少差距。

现行带式输送机设计标准中，托辊许用转速通常都要求不大于600 m/s，否则，辊子的旋转阻力将急剧增加，使用寿命大幅度下降。带式输送机的最高带速受托辊辊子的许用转速制约，对应不同直径的辊子，最高带速如表1所示。

本文研究对象为济宁三号煤矿七采东部边界带式输送机。带宽B=1 200 mm，托辊直径为159 mm，如果采用普通托辊，带速最大不能超过5 m/s。要实现带式输送机高速运行，要么加大托辊直径，要么提高托辊的许用转速。加大辊子直径，辊子的体积和重量就要加大，设备笨重，运输、安装困难，制造成本提高，能耗增大。而增加托辊的许用转速可以在现有条件下解决这个问题，故限制带式输送机高速化的主要因素为托辊许用转速[2]。

2    实验带式输送机主要参数

本文选取的现场工业性试验场地为济宁三号煤矿七采东部边界带式输送机，其主要参数如表2所示。

3    高速高分子托辊设计

3.1    复合密封结构设计

如图1所示，复合密封由内外密封圈组成，外密封圈采用综合性能优良的聚氨酯材料注塑而成，内密封圈的材料为尼龙，内外密封相互接触，形成接触密封的同时，也形成了迷宫密封。复合密封具有迷宫密封和接触密封的共同优点，对水、潮气、灰尘都具有良好的密封性，由于外密封圈的唇边是与内密封圈而不是托辊轴接触，既不损伤托辊轴，还降低了旋转阻力。

3.2    高速托辊辊皮设计

托辊旋转部分质量越小，旋转阻力就越小，因此在满足托辊强度和刚性的前提下，应最大限度减小托辊旋转部分质量，高速托辊更是如此。要降低托辊旋转部分质量，辊皮是关键。目前煤矿大面积使用的托辊为金属材料辊皮，刚性好、精度高、价格较低，但质量大、磨损快，且在腐蚀环境下易锈蚀，一旦出现卡死现象，极易损伤胶带，在胶带高速运行时，后果将非常严重。正因如此，本项目研究的智能型高效高速带式输送机系统托辊辊皮没有采用钢质材料，而是采用了分子量在300万以上的超高分子量聚乙烯（UHWM-PE）管材。与钢质管材相比，超高分子量聚乙烯管材具有以下优点：

（1）密度只有940 kg/m3，是钢材（密度为7 800 kg/m3）的1/8，制作托辊重量轻、旋转质量小;

（2）具有良好的自润滑性，自身滑动性能优于用油润滑的钢和黄铜，因此对输送带具有良好的保护性，即使托辊卡死，也不会损伤胶带;

（3）摩擦系数极小，近似于冰面，与输送带的摩擦系数远远低于钢材与输送带的摩擦系数，运转更加灵活、平稳;

（4）吸水率低（0.01%），抗粘附性好，即使在水或油媒介下，粉尘也不会在其表面粘着和堆积;

（5）耐磨性高于一般合金钢的6倍，有“耐磨王”之称，抗冲击性能好;

（6）化学稳定性极高，耐腐蚀性强，可以承受烈性化学物质的侵蚀，除对某些强酸在高温下有轻微的腐蚀外，在其他酸碱液中不受腐蚀，不会锈蚀。

基于以上设计，采用新型复合密封和高分子辊皮研制的高速托辊配合KA系列C3优质托辊专用轴承[3]，可满足转速720 r/min，从而在1 200 mm带宽条件下，使用？准159型号托辊，带速可达到6 m/s。

4    试验情况

通过使用高速高分子托辊，带式输送机工作状态下，现场环境噪声从使用钢托辊的86 dB降为66 dB，有效改善了作业环境。在带宽1 200 mm的带式输送机系统中使用？准159型号的新型托辊，运行带速可长期稳定在6 m/s，对应托辊转速75.5 r/s，在大大提高带式输送机运输效率的同时保障安全运行。

[参考文献]

[1] 刘振，包继华，黄世鼎，等.带式输送机高速托辊的应用研究[J].矿山机械，2011，39（6）：66-69.

[2] 江旗.膠带输送机托辊密封结构机理及托辊强度分析[D].唐山：华北理工大学，2019.

[3] 孙海燕，包继华.高速托辊滚动轴承的分析[J].起重运输机械，2012（11）：63-64.

收稿日期：2020-08-11

作者简介：边震（1972—），男，山东邹城人，助理工程师，研究方向：矿山机电。