带式输送机托辊的结构优化与可靠性分析

带式输送机托辊的结构优化与可靠性分析

1托辊部件扩大式粉碎机数量随着长度和大型输送带的减少，带辊臂的重要性非常重视。本文从托辊结构的优化设计与托辊加工工艺可靠性的角度来探讨如何提高托辊的技术性能,并提高托辊的使用寿命。2托辊压力分析(1)典型结构带式输送机托辊通常按密封形式分为非接触式迷宫轴封和接触式多唇轴封两种结构,如图1、图2所示。(2)托辊受力与变形量的关系及托辊与轴的匹配程度托辊有多种安装形式,其受力状态也多有不同。为简便明了,本文仅以最常见的水平安装为例作静态分析。一般情况下,托辊的承载力、性能稳定性及寿命主要取决于轴承的质量及其工作状态,而其工作状态又取决于润滑状态、装配质量和轴及轴承座的刚度。其中,托辊轴的受力变形是影响托辊性能与寿命的主要因素。为便于分析,现将托辊的受力情况简化为如图3所示。P力的作用位置相当于托辊两端的轴承位置。轴的变形量y与力P和支撑距离L的关系如下:y=PH2L6EI(3ωRα−(LH)2)y=ΡΗ2L6EΙ(3ωRα-(LΗ)2)式中:E—弹性模量,钢的弹性模量为209GPa;I—轴的惯性矩,即I=πd4/64(d为轴径);ωRα—与L/H有关的函数值,一般小于0.05。以I及E代入式,将其中共有的常数项设为A,并整理得:y=APH2Ld4(3ωRα−L2H2)y=AΡΗ2Ld4(3ωRα-L2Η2)从式可知,轴受力后的变形量y与承载力P、支撑长度L的3次方成正比,与轴径的4次方成反比。也就是说,托辊支撑长度L较小的增加,托辊轴直径d较小的减少都会使轴端的变形量y大幅增加。而y的大幅增加将加大轴承的轴线偏斜量(托辊用深沟球轴承的允许偏斜角仅为8′～16′),破坏轴承的使用条件,同时加大托辊的震动,降低使用寿命。由分析看出,托辊的承载能力取决于轴的长度,特别是支撑长度和轴的直径。这样,可以得出以下基本结论:1)加大托辊轴直径、减小支撑长度可以大幅提高托辊的承载能力;2)在轴径和轴长相同的情况下,支撑长度越小,承载能力越高。3托辊结构的改善(1)结构刚性的提高13缩短支撑长度尽量缩短支撑长度,图2所示结构的支撑长度L1至少要比图1所示结构的支撑长度L减少5mm以上。2轴肩承担的变形量m以上的影响适当增加托辊轴直径,可以明显加强托辊轴的刚性。由于图2采用了1mm以上的轴肩设计,则轴在同样受力条件下的变形量可比光轴相应地减小30%以上。而图1所示的结构因需安装弹簧挡圈而必须在轴的两端切1mm深的槽,更是削弱了轴的刚性,从而降低了托辊的承载能力和使用寿命。3轴承座、轴承、轴封的安装图2所示的结构中,在装入轴承、多唇式轴封和挡圈后,使用专用设备将轴承座、轴承、轴封和挡圈铆合在一起,这样形成了一个整体部件,从而更进一步增强了轴承座的强度与刚性。(2)制造工序长,产品达标率高与图2的比较中可以看出,目前国内大多数托辊厂家采用图1所示的迷宫式防尘结构,一只托辊的零件多达20件,制造及装配工序冗长,很难达到较高的产品合格率。而在图2所示的结构中,由于在专用生产线上将轴承座、轴承、轴封及挡圈组装为一体(称之为托辊专用轴承组件),故该结构的托辊只由4个零部件组成,加工过程极为简单,产品一次合格率可达到100%,其可靠性概率大大提高。(3)托辊的压压件现代输送机要求托辊运行平稳、旋转阻力低、使用寿命长。而托辊的径向跳动量的增加将直接加大托辊所承受的动载荷,严重制约托辊的高速运行的能力。因此,提高冲压精度至关重要。图2结构所示的轴承座轴向深度M1一般要比图1结构中的M少10mm以上,这样可以减少冲压时的拉延量,进一步提高工作效率和产品质量。(4)托辊呼吸对密封效果的影响正常情况下,托辊的高寿命取决于轴承的高质量及其良好的运行状况。因此,保证轴承工作空间的密封性尤为重要。由于托辊在工作中存在呼吸问题,即在运行时温度升高,托辊内的气体会膨胀逸出;在停运时温度降低,内部的气体会收缩,形成负压。此时,若密封不好,会把外界密封口附近的气体或液体吸入。这样多次反复,将使内部冷凝水等有害成份逐渐增多,促使润滑油失效,破坏轴承的工作环境,导致托辊内部腐蚀,降低托辊的寿命,并随着托辊运转速度的提高更趋严重。图1所示的迷宫密封,虽然设置了曲折的路径,但终究不是完全密封的,即使加满了润滑脂也会在呼吸作用下形成通路。图2所示的结构,由于采用了多唇式的完全密封结构,托辊内部与外界的通路被阻断。况且,轴承座底孔和挡圈孔与托辊轴的间隙被控制在较小的范围内,也可以起到初级的密封作用。另外,在托辊加工完成经初期运转后,轴承组件内被预先注入的轴承专用润滑脂有部分被挤入轴承组件与轴配合的各个部位,从而形成了由挡圈、多唇式轴封、轴承座底孔、托辊轴和充满于各缝隙间的润滑脂组成的多重密封,较好地解决由于托辊呼吸带来的许多问题。这种结构设计的关键是要解决好多唇式密封圈的精度与材质的耐磨和稳定性问题。4提高托辊工艺的可靠性(1)组织专业生产将托辊生产分成两段,即将高精度的核心部件——轴承组件单独组织专业生产,再将组装成一体的轴承组件作为一个部件,投入到组装、焊接工序。这样,托辊的组装与焊接将变得非常简单,控制环节大大减少,有效地降低了不同加工组装环节的累积误差。(2)改进的定位方式通常,托辊装配都采用多个零件顺序组装逐级定位的装配方式。这使每次定位产生的误差必然会逐渐累积,使得最终产品的精度难以控制。现对定位方式作重大改进,即设计一种专用的工装卡具,以托辊轴两端外径为基准,直接与管体外径定位焊接,如图4所示。这样,既保证了轴的精度和工装卡具的精度,即托辊的精度,也甩掉中间环节产生的误差对最终托辊产品精度的影响,使之产品精度易于控制。(3)气体保护自动定位双端焊接机为了实现托辊生产高效、稳定、便捷的目标,提高各生产环节的自动化程度,减少人工控制环节至关重要。现开发一种CO2气体保护自动定位双端焊接机,经多个