一種煤礦用托輥使用壽命試驗(yàn)臺的研制

宋巖

摘要： 煤礦用托輥使用壽命是評價(jià)托輥質(zhì)量的重要指標(biāo)，為高效如實(shí)反映產(chǎn)品性能，基于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求，研制了一種托輥使用壽命試驗(yàn)臺，對試驗(yàn)原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，對關(guān)鍵件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

Abstract： The service life of supporting roller used in coal mine is an important index to evaluate the quality of supporting roller. In order to reflect the product performance effectively and truthfully， based on the requirements of product standards， a testing platform for the service life of supporting roller is developed. The test principle and structure are analyzed， the strength of key parts is checked， and the test results are verified to meet the design requirements.

關(guān)鍵詞：托輥;使用壽命;試驗(yàn)臺;研制

0? 引言

托輥?zhàn)鳛閹捷斔蜋C(jī)的主要元部件，性能的優(yōu)劣直接影響皮帶機(jī)的正常工作，托輥在帶式輸送機(jī)中的造價(jià)占到整個皮帶機(jī)總價(jià)的30%，承受了70%以上的工作阻力，其使用壽命關(guān)系著整機(jī)的運(yùn)行和煤礦的生產(chǎn)，對使用壽命進(jìn)行把關(guān)有著重要的意義，為此，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求和實(shí)際工作中的一些經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種新型的使用壽命試驗(yàn)臺，并投入實(shí)際使用中，取得了良好的成效。

1? 設(shè)計(jì)條件及數(shù)據(jù)

1.1 設(shè)計(jì)條件

①密封容器內(nèi)儲有粒度小于0.635mm的煤粉，煤粉量為32kg/m3。

②將托輥安裝在密封容器內(nèi)，調(diào)整拉緊力，使托輥承受實(shí)際使用負(fù)載的2.25倍的試驗(yàn)負(fù)載。

③電動機(jī)驅(qū)動托輥以實(shí)際使用時(shí)3倍的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，每運(yùn)轉(zhuǎn)5h，停止1h。

④檢測過程中，密閉容器內(nèi)應(yīng)每小時(shí)以0.5MPa的壓縮空氣持續(xù)吹拂煤粉5s，模擬煤粉飛揚(yáng)的工況條件。

⑤托輥運(yùn)轉(zhuǎn)累計(jì)時(shí)數(shù)應(yīng)不小于600h，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中托輥不得堵轉(zhuǎn)和損壞。

1.2 原始數(shù)據(jù)（以直徑φ159mm×600mm托輥為例）

①托輥實(shí)際轉(zhuǎn)速n=400r/min;

②托輥極限承載能力F=2.11kN;

③托輥直徑D=159mm（半徑R=79.5mm）;

④托輥長度L=600mm。

2? 方案擬定

根據(jù)圖1所示，傳動帶繞過電動機(jī)驅(qū)動輪后，內(nèi)側(cè)帶動兩個托輥以高壓力和高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，下面對幾種傳動帶進(jìn)行分析比較：

①V型三角帶。僅側(cè)面為工作面，承載能力大、傳遞功率高、傳動比大，但內(nèi)側(cè)面需與托輥接觸，而無論承載力還是傳遞功率都遠(yuǎn)不及側(cè)面。大量試驗(yàn)也表明，其內(nèi)側(cè)面在很短時(shí)間內(nèi)就會發(fā)生斷裂，不能滿足圖1要求。

②平帶。結(jié)構(gòu)簡單，傳動中心距大，且內(nèi)側(cè)面為傳動受力面，滿足圖1要求。但要求所跨兩根或多根輥軸必須平行，否則易偏離原軌跡甚至脫出。因托輥直徑、長度、短軸直徑不同，在試驗(yàn)過程中需要人為不斷調(diào)整，無法達(dá)到輥軸平行。經(jīng)過驗(yàn)證，平帶極易跑偏，無法滿足長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。

③多楔帶。相當(dāng)于平帶和V型帶的組合結(jié)構(gòu)，雖然運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，傳遞功率大，但因其內(nèi)側(cè)面不是工作面，故與V型三角帶一樣，不能滿足要求。

④同步帶。傳動屬嚙合型帶傳動，其內(nèi)側(cè)面為齒形，而托輥表面是光滑的，無法直接作用在托輥上，即使在托輥軸端增加從動齒輪帶動托輥轉(zhuǎn)動，卻不符合圖1所示的受力條件，故亦排除。

由于市場上傳動帶的種類有限，故將圖1中托輥的加載方式由拉力變?yōu)閴毫?，如圖2所示，圖中壓緊裝置靠壓緊輪緊壓在兩個托輥上并帶動托輥轉(zhuǎn)動，而壓緊裝置通過從動輪與電動機(jī)輪的傳動實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動，傳動形式如圖3所示。

3? 主要結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 箱體

3.1.1 箱體結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)條件及原始數(shù)據(jù)，箱體應(yīng)為密封箱;考慮性價(jià)比及穩(wěn)定性，確定箱體由厚度5mm 的Q235-A鋼板整體焊接，且在箱體內(nèi)側(cè)四周焊接4mm厚的鋼板，以增強(qiáng)箱體穩(wěn)固性和密封效果。箱體一側(cè)焊接15mm厚的鋼板，并用2塊15mm厚的三角板作為加強(qiáng)筋，用作電動機(jī)底座。

3.1.2 箱體尺寸

為滿足最大規(guī)格托輥（φ245mm×1000mm）、且同時(shí)可做兩根的試驗(yàn)要求，同時(shí)最大程度降低損耗和成本，確定采用箱體外形尺寸為1174mm×900mm×540mm。

3.1.3 底腳設(shè)計(jì)

為增強(qiáng)箱體穩(wěn)定性并考慮移動方便，設(shè)計(jì)了4個圓柱形底腳（尺寸φ50mm×80mm），并在底腳下固定10mm厚橡膠墊，用于減震。為增強(qiáng)箱體強(qiáng)度，也便于底腳的安裝。箱體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 壓緊輪的設(shè)計(jì)

3.2.1 材料的選擇

因壓緊輪需帶動托輥長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，且兩者間的壓力較大，試驗(yàn)時(shí)箱體處于密封狀態(tài)，產(chǎn)生的熱量較大，因此壓緊輪材料應(yīng)選擇耐磨損、耐高溫的非金屬材料，最后確定材料采用尼龍1010-12型。

3.2.2 尺寸的確定

由圖1可知，壓緊輪工作時(shí)需同時(shí)壓住兩個托輥并加載。根據(jù)最小和最大直徑托輥數(shù)據(jù)以及箱體和夾具尺寸，確定壓緊輪直徑為D1=450mm（半徑R=225mm）。為延長使用壽命，滿足最小長度托輥加載需要，將寬度確定為h=100mm。壓緊輪示意圖見圖5。

3.3 軸的設(shè)計(jì)

3.3.1 材料的選擇

軸的材料采用45鋼，熱處理為調(diào)質(zhì)。

3.3.2 輸入功率

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，取尼龍和鋼的摩擦系數(shù)為0.48，通過對托輥的受力分析，壓緊輪對軸的壓力為1.16kN，摩擦力f=？滋F1=0.56kN。

3.3.3 軸徑

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊軸用材料系數(shù)表，取系數(shù)A=103。軸的輸入端直徑為：

考慮到軸端有鍵槽，軸徑應(yīng)增大4%～5%，軸所受自重及承載較大，取該段軸徑d=42mm。圖6所示為軸的三維視圖。

3.3.4 軸承

考慮到試驗(yàn)環(huán)境為煤粉飛揚(yáng)的密封空間，同時(shí)軸承受到徑向力和軸向力作用，轉(zhuǎn)速較高，載荷大，故選用兩側(cè)密封的深溝球軸承6208-2LS。

3.4 傳動帶的選型

壓緊裝置通過三角帶帶動從動輪轉(zhuǎn)動，作用于從動輪的轉(zhuǎn)矩應(yīng)與壓緊輪轉(zhuǎn)矩相等。下面分析其傳動形式。

已知壓緊輪受摩擦力f=？滋F1=0.56kN;合力f總=f·cos34.5°=0.46kN;壓緊輪半徑R=225mm;從動輪半徑r=79.5mm;從動輪受拉力：

即三角帶所受拉力，也即驅(qū)動輪所受拉力。

設(shè)計(jì)驅(qū)動輪半徑，r1=34mm，則電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為

設(shè)計(jì)從動輪直徑145mm，壓緊輪轉(zhuǎn)速由設(shè)計(jì)值計(jì)算為517r/min，壓緊輪的轉(zhuǎn)速等于從動輪的轉(zhuǎn)速，則從動輪的線速度為：

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，確定三角帶采用SPB或加強(qiáng)B型。又根據(jù)箱體尺寸和壓緊裝置升降范圍，最終確定選用的三角帶長度為1700mm，即SPB1700或B-75型三角帶。

3.5 電動機(jī)的選型

3.5.1 電動機(jī)類型

按工作條件及要求，選用Y系列一般用途的三相異步電動機(jī)即可。

3.5.2 電動機(jī)效率

由上述計(jì)算結(jié)果可知，三角帶傳遞功率即為電動機(jī)輸出功率。電動機(jī)輸出功率：

3.5.3 電動機(jī)轉(zhuǎn)速

由上述計(jì)算結(jié)果可知，驅(qū)動輪線速度和從動輪的一致，求得驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速為：

4? 強(qiáng)度校核

4.1 鍵連接的強(qiáng)度校核

與壓緊輪聯(lián)接處的A型平鍵（尺寸為12mm×8mm×113mm）因受到較大載荷，故需進(jìn)行校驗(yàn)。

4.2 軸的強(qiáng)度校核

首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖，畫出軸的計(jì)算簡圖。對于選用的軸承，由于其對中性好，所以支點(diǎn)就在軸承的正中位置。因此，作為簡支梁的軸的支撐跨距為210mm。根據(jù)軸的計(jì)算簡圖繪出軸的彎矩圖（圖7）和扭矩圖（圖8）。

因?yàn)檩S的材料為45鋼，由軸的常用材料性能表查得：[？滓-1]=60MPa，？滓ca<[？滓-1]，所以該軸滿足安全性要求。

5? 試驗(yàn)臺使用情況

試驗(yàn)臺可對托輥加載力、加載速度進(jìn)行監(jiān)測，自動記錄托輥達(dá)到失效時(shí)所運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間，并可控制電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。試驗(yàn)中為了滿足不同托輥對運(yùn)轉(zhuǎn)速度的要求，電動機(jī)采用變頻控制。為了實(shí)現(xiàn)自動控制，控制系統(tǒng)采用AT89C52作為核心控制芯片，對電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)的運(yùn)算和顯示進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)的組成包括電源、控制芯片、各種傳感器、信號轉(zhuǎn)換元件、擴(kuò)展芯片、數(shù)碼管以及各種輔助元件。試驗(yàn)臺建立后，可完成Ф76～Ф245不同規(guī)格托輥的檢測，覆蓋了現(xiàn)有產(chǎn)品的全部規(guī)格，豐富了測試中心的檢測手段。

6? 總結(jié)

該試驗(yàn)臺具有以下幾個創(chuàng)新點(diǎn)：①該設(shè)備采用新思路，把標(biāo)準(zhǔn)所要求的拉力轉(zhuǎn)換為壓力，巧妙避開了皮帶內(nèi)側(cè)無法對托輥施加較大拉力的缺陷，采用了耐高壓、耐磨損、耐高溫的非金屬材料對托輥施加壓力的方法。②結(jié)構(gòu)緊湊，箱體空間大，可以做任意直徑托輥的試驗(yàn)。③電動機(jī)底座采用絲杠滑臺，移動電動機(jī)更輕松，更順暢。④加裝帶刮灰功能的后觀察窗，在煤粉飛揚(yáng)的試驗(yàn)過程中隨時(shí)可以觀察試驗(yàn)情況。

但也存在以下幾點(diǎn)不足：①試驗(yàn)過程是針對托輥使用壽命的高強(qiáng)度試驗(yàn)，故設(shè)備壓緊裝置較重，如需更換B型三角帶或軸承則較麻煩。②試驗(yàn)時(shí)需手動安裝托輥，因此無法保證兩個托輥完全與壓緊輪平行，故在壓緊時(shí)會出現(xiàn)壓緊輪無法與托輥完全貼合情況，試驗(yàn)過程中會出現(xiàn)壓緊輪局部過熱現(xiàn)象。③試驗(yàn)過程中由于需對托輥施加2.25倍壓力和3倍的轉(zhuǎn)速，加之手動安裝無法完全平行等原因，造成即使箱體用膨脹螺絲固定在地面上，仍會有較強(qiáng)的震動。

參考文獻(xiàn)：

[1]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].八版.機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]陳秀寧，施高義.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊[M].三版.浙江大學(xué)出版社，2010.

[3]MT821-2006，煤礦井下用帶式輸送機(jī)托輥技術(shù)條件[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[4]北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，武漢豐凡科技開發(fā)有限責(zé)任公司.DT（A）型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].冶金工業(yè)出版社，2013.