聚氨酯高分子托辊与钢制托辊特性对比分析*

王永琪 孙晓霞 孟文俊，2 翟义英

1太原科技大学机械工程学院 太原 030024 2山西能源学院 太原 030619 3山西农业大学 太原 030024

0 引言

带式输送机是重要的输送物料运输设备，广泛应用于煤矿、港口、矿山等输送量要求巨大的地方，是我国输送领域中至关重要的一环。托辊在整个输送机系统中是使用、更换频率最高的部件。随着企业对输送量和输送要求的逐步提升，输送机对托辊的需求量也逐渐增高，亟需研究托辊能耗更少，磨损量更低，使用寿命更长的新型托辊。

1 新型托辊发展情况

众多领域学者在新型托辊研究方面已经做出了很多研究。唐葆霖等[1]对未来煤炭开采输送进行了关键技术的发展及展望。刘锦等[2，3]介绍了高分子材料相较钢制托辊的优劣性能，探讨了不同工况下的不同高分子的发展方向。于玉真等[4-7]应用Workbench、Simulation、Abqus和Pro/E等软件对轴承座及其管体研究了应力和变形分析，李振杰等研究在生产时采用特殊处理，增加托辊寿命。李毕等[8，9]对带式输送机运行阻力的方法进行了研究。杨言[10]研究了聚氨酯材料作为辊皮对托辊整体的影响。

本文采用市面上一种应用广泛的非金属高分子材料聚氨酯作为托辊辊皮与传统钢制托辊进行对比研究，通过静态、动态仿真数据进行对比分析，将钢制托辊与高分子托辊的优劣进行阐述，为下一步的压线阻力分析、磨损状况、旋转阻力等研究提供理论依据。

2 托辊参数理论计算

通过计算托辊的静载荷、承受压力、加载面积，结合设计手册查找相关托辊系数，对托辊的动、静载荷，托辊轴承载压力进行计算，应用到仿真分析软件中，对下一步仿真工作做准备。

1）托辊静载荷

式中：qG为输送物料的重力，qG＝87 kg/m；qB为输送带自重，qB＝15 kg/m；e为托辊载荷系数(取上托辊为0.8，下托辊为1)；a0为托辊间距，a0＝1.2 m；K1、K2为物料系数（取3托辊组K1、K2＝0.7）；g为重力加速度，g＝9.81 m/s2。

2）托辊承受的压力

3）加载面积

式中：r为托辊半径，L为托辊长度。

4）带速选择

托辊参数如表1所示，根据设计手册选择托辊转速，带速为2 m/s。

表1 托辊参数

5）动载荷

式中：fa为工况系数，fa＝1.1；fs为冲击系数，fs＝1.06；fd为运行系数，fd＝1。

6）托辊轴载荷

查设计手册可知传统钢制托辊质量为6.3 kg，高分子托辊质量约为传统钢制托辊的1/3左右。

7）托辊轴受钢制托辊静载荷

式中：mt为钢制托辊质量，mt＝6.3 kg。

8）托辊轴受高分子托辊静载荷

式中：mp为高分子托辊质量，mp＝2.1 kg。

3 静态特性仿真分析

3.1 托辊的静力学分析

1）托辊结构

托辊由辊筒、辊轴、轴承座、轴承、内密封、外密封、挡圈组成。考虑到辊筒和轴承座是焊接而成，为保证有限元计算更加准确，将托辊进行1:1建立建模，如图1所示。

图1 托辊模型

2）有限元Workbench软件分析

对材料相关系数进行设定，材料密度为1.8 g/cm3，弹性模量为71 GPa，泊松比为0.31，材料拉伸强度为545.6 MPa，弯曲强度为482.5 MPa，最后施加边界条件有托辊本身的重力、压力，角速度为30.135 rad/s，网格平均质量为0.802 6，然后与Q235钢制托辊做总变形和等效应力对比。

3）结果分析

2种托辊的总变形云图和曲线图如图2、图3所示。钢制托辊的总变形量为0.000 946 mm，高分子托辊的总变形量为0.002 8 mm，发现在变形方面，高分子托辊明显高于钢制托辊。

图2 高分子托辊与钢制托辊总变形云图

图3 高分子托辊与钢制托辊的总变形曲线

聚氨酯复合高分子材料本身具有良好的弹塑性性能，能够很好地缓解托辊及物料对托辊轴的载荷力，同时可以缓冲物料对输送带及托辊的冲击损伤，延长输送带和缓托辊的使用寿命。

图4、图5是同等压力下2种托辊的等效应力情况，可知高分子托辊的等效应力为8.050 2 MPa，钢制托辊为8.456 9 MPa。图中看出高分子托辊的等效应力略低于钢制托辊的应力，但远小于高分子材料的极限屈服应力，说明高分子托辊在同等应力作用下，辊皮承受的应力更小，使得高分子托辊的使用寿命相应延长。

图4 高分子托辊与钢制托辊等效应力云图

图5 高分子托辊与钢制托辊等效应力曲线

3.2 托辊轴的静力学分析

1）三维模型建立

托辊轴材料选定常规Q 235冷拉圆钢，模型如图6所示。

图6 托辊轴模型

2）有限元分析

对于托辊轴的受载计算，本文采用极限受载法。托辊轴的主要变形集中在托辊轴中间部分，根据GB 990—1991《带式输送机 托辊 基本参数与尺寸》，托辊轴的许用变形量μ为总轴长L的0.2%。

式中：L为托辊轴长度，L＝412 mm。

分别对聚氨酯复合高分子托辊轴与钢制托辊轴进行仿真求解，2种托辊轴的总变形云图和曲线图如图7、图8所示。可以看出，托辊轴的最大变形量0.027 46 mm远小于许用变形量0.824 mm，且变形结果都是从两端到中间，托辊轴的变形量逐渐增大，与托辊轴的横向变形理论相符。同时可以看出高分子托辊对轴的变形影响小，由于聚氨酯材料有良好的弹性性能，所以托辊辊皮传递到托辊轴上的载荷力减少，使得托辊轴的变形减少，低于钢制托辊对托辊轴施加载荷发生的变形量。表明高分子托辊对托辊轴有更少的损坏量，高分子托辊相较于钢制托辊，能增长托辊轴更换周期，降低疲劳磨损。

图7 托辊轴受载荷总变形云图

图8 托辊轴受两种托辊载荷变形曲线

4 动态特性仿真分析

托辊在实际运行中，在输送带的带动下和外界因素的共同干扰下会产生共振，影响托辊的寿命和效率，加快托辊辊皮的磨损。故在满足静态分析的基础上，进一步对高分子托辊和钢制托辊分别进行动态仿真。通过结构模态分析得出托辊的固有频率及振型，以避免托辊的振动频率和托辊结构件的振动频率相近引起结构共振，从而大幅降低托辊寿命。此外，通过观察振型，可得出托辊结构件的薄弱部位，为以后结构优化奠定理论支撑，进一步缩短产品设计周期以及提高产品使用寿命。

图9、图10为高分子托辊和钢制托辊的前六阶模态变形云图和频率阶数。可以看出钢制托辊最低频率为50.29 Hz，最高频率为178.85 Hz，高分子托辊最低频率为90.74 Hz，最高频率为289.27 Hz，高分子托辊振动模态总变形为22.556 mm，钢制托辊振动模态总变形为12.314 mm，高分子托辊由于其本身具有弹塑性性能，可以很好地缓解辊皮变形对轴承的压迫，减缓轴承故障的频率，提高轴承的使用寿命。

图9 高分子托辊与钢制托辊六阶模态变形云图

图10 高分子托辊与钢制托辊频率阶数

高分子托辊的频率范围比传统钢制托辊范围更大，说明高分子托辊临界转速可以达到更高，更适合要求转速高的工况下。高分子托辊能更好地避免结构振动，提高结构件的使用寿命，在磨损严重的工况下用高分子托辊替代钢制托辊，可降低成本。而且根据高分子托辊的固有频率，可得出临界转速为5 444.4 r/min，远超发动机的转速，表明高分子托辊具有良好的动态特性。

5 结语

1）高分子托辊的总变形程度高于传统钢制托辊，而高分子托辊轴的变形程度低于钢制托辊轴，表明高分子材料的弹性性能可以缓冲物料对输送带及托辊的冲击损伤，减少托辊辊皮传递到托辊轴上的载荷力，对托辊轴有更少的损坏量，可延长输送带和托辊的使用寿命。

2）高分子托辊的等效应力低于传统钢制托辊的等效应力，且远小于高分子材料的极限屈服应力，说明在同等应力作用下，高分子辊皮可承受的应力更小，高分子托辊使用寿命相应延长。

3）高分子托辊与钢制托辊相比较，具有更良好的动态特性，拥有更宽的固有频率范围，能够更有效地避免与托辊结构件产生共振，来适应托辊转速更高的工况，因其本身具有良好材料性能，可以极大缓解辊皮变形对轴承的压迫，减缓轴承故障的频率，提高轴承的使用寿命。