带式输送机托辊支架选型及稳定性分析

带式输送机托辊支架选型及稳定性分析

目前，带状收割机的发展是长距离、大运营和大型化的。作为带带秤的“道床”，托辊在带带齿的正常使用、维护、安装、能耗和运营成本方面发挥着重要作用。笔者结合具体工程案例对托辊及支架进行设计计算。1空气温-101010西藏驱龙铜矿位于冈底斯山脉与念青唐古拉山脉结合部位,平均海拔在5000m以上,低温干燥,空气稀薄,极端最低气温-23.1℃,最高气温26.7℃。原矿带式输送机基本参数如表1所列。2输送性能的影响因素托辊的选择主要考虑托辊组的承载能力和寿命,同时还要考虑下列因素:载荷的大小及特征、输送带的宽度和运行速度、使用条件、输送机的工作制度、被输送物料的性质、轴承寿命及维修制度等。2.1托辊结构设计托辊组用于支撑输送带及输送带上承载的物料,保证输送机稳定运行。托辊组的形式可根据托辊的位置来选择。本机为长距离大运量下运带式输送机,托辊组选用种类按承载段及回程段分别为:(1)槽形前倾托辊组槽角35°,用于承载分支输送物料,防止输送带跑偏,不再设专门的上调心托辊;(2)缓冲托辊组安装在受料段下方,降低物料对输送带的直接冲击,延长输送带使用寿命;(3)过渡托辊组安装在滚筒与第一组成槽托辊组之间,可使输送带逐步成槽或由槽形展平,以降低输送带边缘因成槽延伸而产生的附加应力,同时也防止输送带展平时出现撒料现象;(4)V形前倾托辊组用于回程段支撑输送带,同时可防止输送带跑偏,考虑带宽较宽,为减少输送带的弯曲应力,托辊槽角设计成5°,不再设专门的下调心托辊;(5)平行托辊组主要安装于改向滚筒前、后及清扫器处,以便展平输送带。2.2托辊间距的影响托辊间距应满足两个条件,即保证辊子轴承的承载能力及输送带的下垂度。托辊间距还应考虑该处的输送带张力大小、物料块度及密度大小,以使输送带获得合适的下垂度。本机承载托辊组间距a0=1.0m,回程托辊组间距au=3.0m,缓冲托辊间距为0.3m。3托辊计算公式3.1托辊旋转受制受压制由于加工精度和辊体材料的不均匀,托辊本身存在着一个偏心距,转速愈大,托辊振动愈大。由于加工精度的原因,托辊存在一定的椭圆度,导致托辊在旋转过程中,输送带产生垂直于走向方向的振动。当输送带的强迫振动频率接近或等于输送带的自由振动频率时,将产生共振,从而破坏了输送机的正常工作。根据克虏伯公司建议,托辊转速ng≯600r/min。托辊辊径,当带速一定时,托辊直径愈小,则转速愈高,振动愈大。结合带宽、带速和输送物料块度等因素,将托辊直径确定为D=194mm。3.2托辊载荷计算3.2.1支撑臂连接3.2.2下托辊轴承的选择式中:pu为回程分支托辊静载荷,N;e为载荷系数,取e=0.63;pu′为回程分支托辊动载荷,N。根据辊子承载能力对比,上托辊轴承需考虑承载物料及输送带、冲击等因素,初选规格要大些,选择6310/C4轴承,辊子标准长度L=800mm,额定承载能力P=25580N>p0′=10102N;下托辊在满足承载能力的前提下,应尽可能选用较小规格轴承,主要考虑减少回程分支摩擦阻力,降低转动时的旋转质量,提高制动时的安全系数。初选规格为6308/C4轴承,L=1250mm,P=6170N>pu′=4155N。3.3辊为二节式,pc、pc1为作用在轴承上的分量载荷(1)承载托辊为槽形三节式,其中中间辊子承受最大载荷,每个辊子都有2个轴承,考虑辊子的自重、冲击力、非均匀装载和非均匀载荷布置,回程托辊为二节式,当量载荷式中:pC、pC1为作用在轴承上的当量载荷,N;qG为单位长度物料质量,kg/m。(2)托辊轴承选用深沟球轴承,上下托辊轴承寿命计算如下。式中:n为托辊工作转速,r/min;Cr为轴承径向许用动载荷,N;fT为轴承温度系数(<120℃);ε为寿命指数。由以上计算可知,带式输送机虽然运量大,但分布在托辊上的载荷相对较小,所以计算的疲劳寿命远远大于额定值,托辊使用寿命主要取决于托辊密封结构。3.4托辊轴相对刚度的确定在载荷作用下,托辊轴会发生弯曲,过大的弯曲对轴承工作不利,此处只进行上托辊轴及转角计算,可将托辊轴看作一根在支点间作用两个对称集中载荷的简支梁模型(见图1)进行计算。式中:“-”号表示托辊轴弯曲及轴承处转角方向向下,计算结果取绝对值;E为托辊轴的弹性模量,MPa;I为托辊轴惯性矩,mm4;β为轴承处转角,rad;[β]为轴承许用转角,[β]=8′~12′。经过托辊辊径、承载能力、轴承寿命、托辊轴挠度及轴承处转角5个方面的计算,最终确定上托辊辊径为φ194mm,6310/C4轴承,L=800mm;下托辊辊径为φ194mm,6308/C4轴承,L=1250mm。4封件密封的选用托辊主要由管体、轴承座、轴承、托辊轴、密封件及挡圈等构成,主要选用非接触式密封。非接触式密封就是密封件与其相对运动的零件不接触,且有适当间隙。这种密封在工作中几乎不产生摩擦热,没有磨损,特别适用于高速和高温场合,根据不同工况可选用DTⅡ、TK、TKⅡ、TKⅢ等密封结构。本项目考虑带宽大、运量大及张力大等特点,运行中有较大的轴向力产生,所以选用双挡圈多道迷宫式非接触式密封,如图2所示。5托辊截面设计5.1上托辊上所受载荷上支架主要由主梁、中支柱、边支柱和垫板等组成,通过建立力学模型,从抗弯应力及主梁挠度两方面进行计算,确定选取满足要求的型材作主梁。托辊支架主要有角钢式、钢管式两种常用结构,结合本项目参数条件,上托辊主梁初选180×180×12型角钢,钢管型号为φ133×8。上支架受力简图如图3所示。上支架上所受载荷式中:F为上托辊支架所受载荷,N;GRo为托辊质量;kg/支。此处未考虑支架自重、过载、张力载荷及输送带跑偏等因素。主梁采用角钢,抗弯应力式中:σ为截面抗弯应力,MPa;为角钢的抗弯截面系数,cm3。主梁采用钢管,抗弯应力式中:W为钢管的抗弯截面系数,mm3。主梁采用角钢,挠度式中:Iy0为角钢的惯性矩,cm4。主梁采用钢管,挠度式中:Iy为钢管的惯性矩,mm4。5.2托辊支架主梁刚度下支架主要由主梁、中支柱及吊架等组成,同样通过建立力学模型,从抗弯应力及主梁挠度两方面进行计算,确定选取满足要求的型材作主梁。下托辊主梁初选140×140×12型角钢,钢管型号为φ114×6。下支架受力简图如图4所示。下支架上所受到载荷此处未计入支架自重、张力载荷及冲击等因素。主梁采用角钢,抗弯应力主梁采用钢管,抗弯应力主梁采用角钢,挠度主梁采用钢管,挠度通过对托辊支架抗弯应力、挠度两方面计算可知,提高托辊支架主梁的刚性,控制挠度在许用范围之内是至关重要的。同时将选材质量进行对比,如表2所列。6托辊支架设计托辊作为带式输送机的主要部件之一,设计计算时要从多方面考虑,在大带宽、大运量托辊支架上应优先选用钢管式。钢管式结构具有质量轻、结构紧凑、力学性能好及性价比高等特点,通过对托辊及支架具体设计计算,可以积累设计经