皮带机高速托辊方案的设计及试验

刘 博

（华阳集团机电设备管理中心，山西 阳泉 045008）

引言

皮带机是煤矿生产中重要的运输设备，随着采煤量的不断增加，对皮带机的运输效率也提出了更高的要求。常用的增大输送量、提高运输效率的方法有两种：增加带宽或提高带速。增加带宽意味着增大皮带的使用量，增大了设备的成本；而提高带速后，由于皮带机的运行阻力减小，皮带强度降低，驱动装置、支撑设备、滚筒等设备的规格降低，运行成本显著降低，因此提高带速的效果明显优于增加带宽。托醌是皮带机的重要组成部分，在皮带机运行时起着支撑输送带的作用，托醌的性能直接影响皮带机的工作效率[1]，皮带机速度的提高会导致筒体等部件结构破坏以及轴承失效，因此对托醌钢管、密封件等配件提出了更高的要求。近年来，国内外专家和学者对高速托醌开展了一定的研究，如日本的NC 公司制造的托醌径向圆跳动可以控制在0.5 mm 以下，使用寿命约超过5 万h，使用寿命是国产托辊的2 倍。由于国外托醌只针对国外的生产条件，对国内复杂的生产环境并不适用。而目前国内托醌的制造技术良莠不齐，无法满足高速皮带运行的要求。因此，本文针对托醌在高速运转时出现的强度不够、易磨损、密封性能差、径向跳动量大以及噪声高的问题，分别进行了优化，提出了新型皮带机高速托醌的方案，并对新型托醌装置按照国家标准和行业标准进行了试验，试验结果符合要求。

1 高速托醌的设计

根据托醌的性能参数和影响其高速运转的因素，基于传统托辊的设计，提出了图1 所示的高速托辊的设计方案。该方案选择深沟球轴承，该轴承带有防尘盖，整体结构采用迷宫式接触式的复合密封结构，显著提高了托辊的防水防尘性能，以高分子材料研制，减小了设备的重量和旋转阻力，降低了功耗，保证了高速托辊的正常运行。

图1 高速托醌的结构

1.1 密封结构的设计

密封机构是托醌的保护装置，可以防止煤渣、水分等污物进入托醌内部，保证轴承转动阻力不变，延长托醌的使用寿命。密封装置选择时要满足以下几个条件：密封面无裂纹、划痕和气孔等缺陷、防水防尘能力和旋转阻力满足国家标准、耐腐蚀等。一般密封方式有非接触性和接触性性两种结构，本文采用轴向迷宫密封和接触式密封复合结构[2]，该结构由内密封圈、迷宫型内、外密封圈、接触式密封圈、内、外挡圈和压紧圈组成，其中内密封圈是密封装置的核心，能够防止杂质从内侧进入轴承从而引起润滑脂流失。该密封结构的具有以下三个特点：密封道数不受轴承径向尺寸的影响；迷宫密封最外侧的密封圈采用聚乙烯高分子材料，密度小，阻力小，耐腐蚀；内挡圈表面的凸环起着调整的作用，当粉尘或水进入内挡圈或外挡圈时，可以改变轴向运动的趋势；同时凸环与外挡圈之间形成真空，提高了密封效果。

1.2 轴承的设计

密封结构和轴承是影响托醌使用寿命的两大因素。当煤泥等杂质大量进入轴承内，或轴承中的油脂变质或流失，均会导致轴承失效[3-4]。轴承选择时要重点关注轴承的载荷、转速、调心性能以及游隙，同时也要考虑便于安装和拆卸。本文选择瑞典SKF 生产的带有防尘盖的深沟球轴承，轴承型号为6205-Z型，采用G 级制造精度和C4 大游隙组，以尼龙保持架支撑，整体结构重量轻、耐腐蚀、耐磨损、摩擦系数小。

1.3 其他结构的设计

润滑脂主要用于密封结构的定期润滑保养，润滑脂的选择时要考虑速度、载荷、温度等环境条件，皮带机带速越高，润滑脂的锥入度越大；载荷越重，需选用基础油黏度高、稠化剂含量高的润滑脂；工作环境的湿度大小、托醌的安装状况也会影响润滑脂的选择。考虑到本文选择的是深沟球轴承，而皮带机工作环境有水、轴承转速范围为1 500～3 000 r/min，因此最终选择1 号锂基润滑脂，此类型润滑脂具有良好的耐水性、机械稳定性、抗腐蚀性和氧化安定性，适用于50～100 ℃范围内轴承等摩擦部位的润滑。

此外，托醌主轴选择拉光轴，在轴体设计两个卡槽用于放置挡环，起着定位准确的作用；筒体结构直接影响托醌装置质量，本文筒体结构无止口，一次性加工成型，能更好地保证筒体结构的质量。

2 高速托醌的性能试验

2.1 旋转阻力的测试

试验前检查设备是否工作正常，先将托醌装置放在旋转阻力测试仪管架上，使得管体中心和压轮中心位于同一直线，启动液降按钮，使得液压电力推动器压紧托醌管体，然后开启电机按钮，缓慢调节调速按钮，设置管体压力为250 N，托辊外圆线速度为10 m/s，运行15 min 后，记录试验数据。

2.2 浸水密封试验

托醌浸水密封试验是通过试验前后托醌的质量变化判断其进水量，试验前确认设备状态正常。试验时，先测定托辊质量m1，再将托醌稳定放置在可调托醌架上，调节托醌架位置，使得管体中心和电机轮中心重合，调节皮带松紧度，满足试验条件后拧紧托辊架底板螺栓；开启电机电源，旋转5 min 查看各部位是否符合试验要求；若满足要求，在储水箱中添加冷水至与托醌中心线等高，然后调节电机功率使得托醌以3 000 r/min 运转24 h 后，再次测定托辊的质量m2。

2.3 圆跳动试验

圆跳动试验前应先检查检测平台，确保干净无杂物，将托醌置于V 形垫铁上，检查百分表工作是否正常，灵敏度是否符合要求；将百分表表头对准管体，表针归零，随机选择托醌筒体三处位置，进行测试并记录试验数据，最终取三点中数据最大值作为判断依据。

2.4 轴向承载试验

实验前检查千斤顶的安装，判断是否存在漏压、漏油现象，传感器是否满足检测灵敏度，确认无误后，将托醌安装于正确的检测位置，以恒力缓慢按压千斤顶施压手柄，记录托醌轴向载荷。

表1 为八次平行试验的结果，从表中可以看出，本文设计的托辊方案满足国家标准中的托辊技术条件：径向跳动量不超过0.5 mm，旋转阻力不大于3.5 N，所能承受的轴向载荷大于10 kN，浸水试验中进水量不超过5 g。在托辊转速提高的情况下，仍能满足运行条件。

表1 托醌性能试验结果

2.5 材料燃烧试验

由于托醌采用聚乙烯高分子材料，在矿井下工作时需保证无燃烧隐患，因此本文基于国家标准中煤矿井下聚合物制品阻燃性的要求，对托醌装置的阻燃性能进行了试验。阻燃性的考察需证明在酒精喷灯或酒精灯燃烧条件下，聚合物不可燃或不支持燃烧。取一定量聚合物置于燃烧试验箱内，以95%乙醇∶5%甲醇混合物为染料，进行聚合物的酒精喷灯燃烧试验，并记录有焰燃烧时间、无焰燃烧时间和火焰扩展长度。经过五次平行试验，托醌聚合物材料的平均有焰燃烧时间为2.15 s，平均无焰燃烧时间为9.33 s，火焰扩展长度小于280 mm，符合标准要求。

3 结论

本文针对托辊在高速条件下出现的轴承失效等问题，提出了皮带机新型高速托醌方案，采用了新型的密封结构和轴承产品，改善了传统密封方式对恶劣环境适应能力差的问题，提高了托辊轴承的防水防尘性能，设计出了适用于高速皮带机的安全高效的托醌装置，提高了皮带机的工作效率。