一种煤矿用托辊使用寿命试验台的研制

宋岩

摘要： 煤矿用托辊使用寿命是评价托辊质量的重要指标，为高效如实反映产品性能，基于产品标准的要求，研制了一种托辊使用寿命试验台，对试验原理和结构进行了分析，对关键件进行了强度校核，并进行了试验验证，结果满足设计要求。

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.

关键词：托辊;使用寿命;试验台;研制

0  引言

托辊作为带式输送机的主要元部件，性能的优劣直接影响皮带机的正常工作，托辊在带式输送机中的造价占到整个皮带机总价的30%，承受了70%以上的工作阻力，其使用寿命关系着整机的运行和煤矿的生产，对使用寿命进行把关有着重要的意义，为此，根据标准的要求和实际工作中的一些经验，设计了一种新型的使用寿命试验台，并投入实际使用中，取得了良好的成效。

1  设计条件及数据

1.1 设计条件

①密封容器内储有粒度小于0.635mm的煤粉，煤粉量为32kg/m3。

②将托辊安装在密封容器内，调整拉紧力，使托辊承受实际使用负载的2.25倍的试验负载。

③电动机驱动托辊以实際使用时3倍的转速运转，每运转5h，停止1h。

④检测过程中，密闭容器内应每小时以0.5MPa的压缩空气持续吹拂煤粉5s，模拟煤粉飞扬的工况条件。

⑤托辊运转累计时数应不小于600h，运转过程中托辊不得堵转和损坏。

1.2 原始数据（以直径φ159mm×600mm托辊为例）

①托辊实际转速n=400r/min;

②托辊极限承载能力F=2.11kN;

③托辊直径D=159mm（半径R=79.5mm）;

④托辊长度L=600mm。

2  方案拟定

根据图1所示，传动带绕过电动机驱动轮后，内侧带动两个托辊以高压力和高转速旋转，下面对几种传动带进行分析比较：

①V型三角带。仅侧面为工作面，承载能力大、传递功率高、传动比大，但内侧面需与托辊接触，而无论承载力还是传递功率都远不及侧面。大量试验也表明，其内侧面在很短时间内就会发生断裂，不能满足图1要求。

②平带。结构简单，传动中心距大，且内侧面为传动受力面，满足图1要求。但要求所跨两根或多根辊轴必须平行，否则易偏离原轨迹甚至脱出。因托辊直径、长度、短轴直径不同，在试验过程中需要人为不断调整，无法达到辊轴平行。经过验证，平带极易跑偏，无法满足长时间运转的要求。

③多楔带。相当于平带和V型带的组合结构，虽然运转平稳，传递功率大，但因其内侧面不是工作面，故与V型三角带一样，不能满足要求。

④同步带。传动属啮合型带传动，其内侧面为齿形，而托辊表面是光滑的，无法直接作用在托辊上，即使在托辊轴端增加从动齿轮带动托辊转动，却不符合图1所示的受力条件，故亦排除。

由于市场上传动带的种类有限，故将图1中托辊的加载方式由拉力变为压力，如图2所示，图中压紧装置靠压紧轮紧压在两个托辊上并带动托辊转动，而压紧装置通过从动轮与电动机轮的传动实现转动，传动形式如图3所示。

3  主要结构与参数设计

3.1 箱体

3.1.1 箱体结构

根据设计条件及原始数据，箱体应为密封箱;考虑性价比及稳定性，确定箱体由厚度5mm 的Q235-A钢板整体焊接，且在箱体内侧四周焊接4mm厚的钢板，以增强箱体稳固性和密封效果。箱体一侧焊接15mm厚的钢板，并用2块15mm厚的三角板作为加强筋，用作电动机底座。

3.1.2 箱体尺寸

为满足最大规格托辊（φ245mm×1000mm）、且同时可做两根的试验要求，同时最大程度降低损耗和成本，确定采用箱体外形尺寸为1174mm×900mm×540mm。

3.1.3 底脚设计

为增强箱体稳定性并考虑移动方便，设计了4个圆柱形底脚（尺寸φ50mm×80mm），并在底脚下固定10mm厚橡胶垫，用于减震。为增强箱体强度，也便于底脚的安装。箱体结构如图4所示。

3.2 压紧轮的设计

3.2.1 材料的选择

因压紧轮需带动托辊长时间运转，且两者间的压力较大，试验时箱体处于密封状态，产生的热量较大，因此压紧轮材料应选择耐磨损、耐高温的非金属材料，最后确定材料采用尼龙1010-12型。

3.2.2 尺寸的确定

由图1可知，压紧轮工作时需同时压住两个托辊并加载。根据最小和最大直径托辊数据以及箱体和夹具尺寸，确定压紧轮直径为D1=450mm（半径R=225mm）。为延长使用寿命，满足最小长度托辊加载需要，将宽度确定为h=100mm。压紧轮示意图见图5。

3.3 轴的设计

3.3.1 材料的选择

轴的材料采用45钢，热处理为调质。

3.3.2 输入功率

查机械设计手册，取尼龙和钢的摩擦系数为0.48，通过对托辊的受力分析，压紧轮对轴的压力为1.16kN，摩擦力f=？滋F1=0.56kN。

3.3.3 轴径

根据机械设计手册轴用材料系数表，取系数A=103。轴的输入端直径为：

考虑到轴端有键槽，轴径应增大4%～5%，轴所受自重及承载较大，取该段轴径d=42mm。图6所示为轴的三维视图。

3.3.4 轴承

考虑到试验环境为煤粉飞扬的密封空间，同时轴承受到径向力和轴向力作用，转速较高，载荷大，故选用两侧密封的深沟球轴承6208-2LS。

3.4 传动带的选型

压紧装置通过三角带带动从动轮转动，作用于从动轮的转矩应与压紧轮转矩相等。下面分析其传动形式。

已知压紧轮受摩擦力f=？滋F1=0.56kN;合力f总=f·cos34.5°=0.46kN;压紧轮半径R=225mm;从动轮半径r=79.5mm;从动轮受拉力：

即三角带所受拉力，也即驱动轮所受拉力。

设计驱动轮半径，r1=34mm，则电动机输出转矩为

设计从动轮直径145mm，压紧轮转速由设计值计算为517r/min，压紧轮的转速等于从动轮的转速，则从动轮的线速度为：

查机械设计手册，确定三角带采用SPB或加强B型。又根据箱体尺寸和压紧装置升降范围，最终确定选用的三角带长度为1700mm，即SPB1700或B-75型三角带。

3.5 电动机的选型

3.5.1 电动机类型

按工作条件及要求，选用Y系列一般用途的三相异步电动机即可。

3.5.2 電动机效率

由上述计算结果可知，三角带传递功率即为电动机输出功率。电动机输出功率：

3.5.3 电动机转速

由上述计算结果可知，驱动轮线速度和从动轮的一致，求得驱动轮转速为：

4  强度校核

4.1 键连接的强度校核

与压紧轮联接处的A型平键（尺寸为12mm×8mm×113mm）因受到较大载荷，故需进行校验。

4.2 轴的强度校核

首先根据轴的结构图，画出轴的计算简图。对于选用的轴承，由于其对中性好，所以支点就在轴承的正中位置。因此，作为简支梁的轴的支撑跨距为210mm。根据轴的计算简图绘出轴的弯矩图（图7）和扭矩图（图8）。

因为轴的材料为45钢，由轴的常用材料性能表查得：[？滓-1]=60MPa，？滓ca<[？滓-1]，所以该轴满足安全性要求。

5  试验台使用情况

试验台可对托辊加载力、加载速度进行监测，自动记录托辊达到失效时所运转的时间，并可控制电动机停止运转。试验中为了满足不同托辊对运转速度的要求，电动机采用变频控制。为了实现自动控制，控制系统采用AT89C52作为核心控制芯片，对电动机的运转、数据的运算和显示进行控制。控制系统的组成包括电源、控制芯片、各种传感器、信号转换元件、扩展芯片、数码管以及各种辅助元件。试验台建立后，可完成Ф76～Ф245不同规格托辊的检测，覆盖了现有产品的全部规格，丰富了测试中心的检测手段。

6  总结

该试验台具有以下几个创新点：①该设备采用新思路，把标准所要求的拉力转换为压力，巧妙避开了皮带内侧无法对托辊施加较大拉力的缺陷，采用了耐高压、耐磨损、耐高温的非金属材料对托辊施加压力的方法。②结构紧凑，箱体空间大，可以做任意直径托辊的试验。③电动机底座采用丝杠滑台，移动电动机更轻松，更顺畅。④加装带刮灰功能的后观察窗，在煤粉飞扬的试验过程中随时可以观察试验情况。

但也存在以下几点不足：①试验过程是针对托辊使用寿命的高强度试验，故设备压紧装置较重，如需更换B型三角带或轴承则较麻烦。②试验时需手动安装托辊，因此无法保证两个托辊完全与压紧轮平行，故在压紧时会出现压紧轮无法与托辊完全贴合情况，试验过程中会出现压紧轮局部过热现象。③试验过程中由于需对托辊施加2.25倍压力和3倍的转速，加之手动安装无法完全平行等原因，造成即使箱体用膨胀螺丝固定在地面上，仍会有较强的震动。

参考文献：

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[2]陈秀宁，施高义.机械设计课程设计手册[M].三版.浙江大学出版社，2010.

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