（化工过程机械专业论文）新型密封结构托辊及其试验机的设计研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t h l3 学科分类号 4 6 0 1 5 4 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 10 6 5 9 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名李小磊学号 2 0 0 8 0 0 0 6 5 9 获学位专业名称 化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源横向课题研究方向材料的摩擦磨损 论文题目新型密封结构托辊及其试验机的设计研究 关键词防尘托辊，密封结构，试验机 论文答辩日期2 0 1 1 年5 月3 1 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师 刘广建 高工北京化工大学矿用塑料制品 评阅人1 任冬云 副研究员 北京化工大学聚合物加工 评阅人2王克俭 副研究员 北京化工大学机械工程 答辩委员会主席 王奎升 教授北京化工大学石油化工机械 答辩委员1何立东研究员北京化工大学动力机械 答辩委员2 杨卫民 教授北京化工大学机械工程 答辩委员3 张亚军 教授北京化工大学微纳制造技术 答辩委员4张有忱教授北京化工大学摩擦及传动 答辩委员5周俊良 教授 北京化工大学工业设计 答辩委员6钱才富 教授 北京化工大学 压力容器 答辩委员7薛平研究员北京化工大学聚合物加工 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 9 ) ( ( 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 新型密封结构托辊及其试验机的设计研究 摘要 托辊是广泛应用于煤矿、粮站、矿山等输送粉料和粒料工况的带式输 送机中用量大、分布广的部件。托辊的结构比较简单，主要由辊筒、轴承 座、轴承、密封件、润滑脂和轴等部件组成。传统的托辊由于工作状况恶 劣以及自身机械结构等方面的原因，存在不同程度的易腐蚀、重量大、不 耐磨、使用寿命短等缺点。因此，研制出密封结构可靠，使用寿命长的托 辊仍然具有实际意义。 为了克服上述缺点，本文以托辊的密封结构作为研究重点，设计了新 型密封结构的尼龙托辊；参照2 0 0 9 年4 月2 日发布并于2 0 0 9 年1 1 月1 日正式实施的g b t1 0 5 9 5 2 0 0 9 带式输送机标准，设计了测试托辊性 能的托辊试验机；用a n s y s 软件对托辊进行了有限元的计算和分析；利用 所设计的托辊试验机对托辊的性能做测试。 本文共设计了两种新型密封结构，并对新型密封结构尼龙托辊和普通 金属托辊的启动功率、旋转阻力、磨损量等进行了大量的试验。试验结果 表明： 新型密封结构尼龙托辊的启动功率小、旋转阻力低、密封性能可靠、 磨损率低等优点。通过a n s y s 有限元的计算和分析发现，新型密封结构尼 龙托辊的力学性能较普通金属托辊的力学性能有了很大的改善了提高。 总之，本文通过模拟计算与实际测试相结合的方法，优选到适合煤矿 井下带式输送机使用的托辊。该托辊可满足使用单位对于托辊的密封效 北京化f t 人学硕l ：学位论文 果、启动功率、旋转阻力、磨损量、使用寿命等方面的苛刻要求。 关键词：托辊，密封结构，试验机，性能试验 a b s t r a c t t h e d e s i g na n dr e s e a r c ho fa n e w t 1 y p eo fr o l l e rs e a l i n g s t r u c t u r ea n di t st b s t i n gm a c h i n e a b s t r a c t r o l l e ri sw i d e l yu s e di nc o a lm i n e s ，g r a n a r i e s ，m i n i n ga n do t h e rd e l i v e 哆 c o n d i t i o n so fp o w d e ra n d p e l l e t s i ti sw i d e l yd i s t r i b u t e da n do fl a 玛ea m o u n t i nab e l tc o n v e y o r t h es t r u c t u r eo fr 0 1 l e ri sc o m p a r a t i v e l ys i m p l e i tc o n t a i n s m a n yc o m p o n e n t s ，s u c ha sr o l l ，b e a r i n gb l o c k ，b e a n n g ，s e a l e r ，g r e a s ea n da x i s ， a n ds oo n b e c a u s eo ft h ep o o rw o f kc o n d i t i o n sa n dt h ed e s i g no fm e c h a n i c a l s t r u c t u r e ， t h et r a d i t i o n a lr o l l e rh a ss o m ep r o b l e m ss u c ha s s u s c e p t b i et o c o r r o s i o n ，h i g hw e i g h t ，n o tw e a rr e s i s t i n g ，e t c t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tt o d e v e l o par 0 1 l e rw i t hr e l i a b l es e a l i n gs t m c t u r ea n dl o n g 印p l i c a t i o nl i f e t bo v e r c o m et h e s es h o r t c o m i n g sa b o v e ，t h et h e o r e t i c a ld e s i g na “n do f 王狻r o l l e rw i t hn e w s e a l i n gs t m c t u r e 、m t hr e f e r e n c et ot h e ，w h i c hi s p u b l i s h e do na p r i l2 ，2 0 0 9a n dc a r 。r i e do u to n n o v e m b e r1 ，2 0 0 9 ，at e s t i n gm a c h i n ei sd e s i g n e di nt h i st h e s i st ot e s tt h e p e r f l o m a n c eo fr o n e r ；a n a l y s i sa n dc a l c u l a t eo nt w ok i n d so fr o n e rb y a n s y s ；b e s i d e s ，t h i st h e s i st e s tt h ep e r f o r n l a n c eo fr o l l e rb yt e s t i n gm a c h i n e t h et h e s i sd e s i g n s 研ok i n d so fs e a l i n gs t m c t u r eo fr 0 1 1 e r t h et i t l et e s t s t h es t a n i n gp o w e r ，r u n n i n gr e s i s t a n c e ，w e a ra n dt e a rr a t eo ff aa n dm e t a l l i c 北京化t 大学硕 ：学位论文 r o l l e r t h er e s u l t ss h o wt h a t ： t h en e wt y p eo fp ar 0 1 1 e ri sb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lm e t a lr o l l e rw i t hi t s s m a l l e rs t a n i n gp o w e r ，l o w e rm n n i n gr e s i s t a n c ea n dr u n n i n gr e s i s t a n c e ，a n d r e l i a b l es e a l i n gs t r u c t u r e t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ns h o wt h a t t h em e c h a n i c a lp e r f o m l a n c eo fp ar o l l e rh a sb e e nl a 玛e l yi m p r o v e da n d e n h a n c e d i ns h o r t ，b ys i m u l a t e dc a l c u l a t i o na n dp r a c t i c a le x p e r i m e n t ，t h et h e s i s o p t i m i z e sap e r f e c tr o l l e rw h i c h i ss u i tf o rb e l tc o n v e y o ri n s t a l l e du n d e 玛r o u n d i t b a s i c a l l ym e e tt h er e q u i r e m e n t so fp o w e rs a v i n g ，r e l i a b i l i t y ，s e a l i n g e m c i e n c y ，l o n g e v i t y ，e t c k e y w o r d s ：r 0 1 l e r ，s e a l i n gs t m c t u r e ， t e s t i n gm a c h i n e ，p e r f i o n i l a n c et e s t i v 日录 目录 第一章绪论1 1 1 有关托辊密封结构的综述l 1 1 1 皮带机的应用现状1 1 1 2 托辊的种类1 1 1 3 托辊失效机理3 1 1 4 现有托辊的密封形式4 1 2 本课题的研究背景7 1 3 本课题的主要研究内容及意义8 1 3 1 本课题的目的及意义8 1 3 2 本课题的主要研究内容8 第二章托辊密封结构的设计1 1 2 1 矿用托辊使用工况简介1 1 2 2 新型密封结构托辊的材料1 3 2 3 新型密封结构托辊的密封结构1 4 2 3 1 径向迷宫密封方案1 4 2 3 2 轴向迷宫密封方案1 7 2 4 会属托辊1 8 2 5 本章小结2 0 第三章托辊试验机2 1 3 1 托辊试验机的主要测试项目2 l 3 2 托辊试验机技术路线的确定2 l 3 2 1 现有的测试平台2 l 3 2 2 新型试验机的技术路线2 2 3 3 托辊试验机的相关计算2 3 3 3 1 托辊试验机的简要说明2 3 3 3 2 电机功率的计算2 5 3 3 3 试验台转速的确定2 5 v 北京化t 人学颀 ：学位论文 3 3 4 负载调节装置2 6 3 3 5 电机安装位置2 7 3 3 6 功率测试仪的选择2 8 3 3 7 带式输送机传送带的选择3 8 3 4 本章小结3 0 第四章托辊受力的有限元计算3 1 4 1 托辊的有限元计算31 4 2 有限元计算的模型3 1 4 3 工作载荷下托辊的计算结果及分析3 2 4 3 1 托辊的最大应力和最大位移3 2 4 3 2 托辊的径向膨胀和收缩3 5 4 4 不同载荷下托辊的应力和位移一3 6 第五章托辊的性能试验3 9 5 1 试验步骤3 9 5 2 试验前的准备3 9 5 3 试验方法及试验工具4 1 5 4 托辊的启动功率测试4 1 5 5 托辊的旋转阻力测试4 5 5 5 1 尼龙托辊正常运转时的功率4 6 5 5 2 金属托辊正常运转时的功率4 8 5 5 3 托辊旋转阻力分析5 1 5 6 托辊磨损量5 2 第六章创新与结论5 5 6 1 主要创新与结论5 5 6 2 不足与展望5 6 参考文献5 7 致谢5 9 研究生期间发表的论文6 1 v i 目录 导师和作者简介6 3 c o n t e n t co n t e n t s c h a p t e rli n t l 。o d u c t i o n 4 1 1i i l t r o d u c t i o no ns e a l i n gs t m c t u r eo fi d l e rr o l l e r 1 1 1 1a p p l i c a t i o ns t a t u so f b e l t 1 1 1 2 飚n d so fi d l e rr o l l e r 1 1 1 3f a i l u r em e c h a n i s mo f r o l l e r 3 1 1 4s e a l i n gs t n l c t u r eo f e x i s t i n gr o l l e r 一4 1 2b a c l ( 目o u n do ft h et h e s i s 7 1 3s i 印f i c a n c ea n do b j e c t i v eo f m em e s i s 8 1 3 1p u 印o s ea i l ds i 印i f i c a n c e 8 1 3 2m a i nc o n t e n to f t h er e s c a r c ha nm e s i s 8 c h a p t e r 2d e s i g no fs e a l i n gs t r u c t u r e 11 2 1i n t r o d u c t i o no fi d l e rr o l l e ru s e di nc o a lm i n e 1l 2 2m a t 甜a lo f n e w t y p eo f s e a l i n gs t m c t u r er o l l e r 1 3 2 3s e a l i n gs t l l l c t u r eo fn e wt y p eo fi d l e rr 0 1 l e r 14 2 3 1r a d i a l l a b 舛n t hs e a l 1 4 2 3 2a x i a ll a b 州n t hs e a l 1 7 2 4m e t a l l i cr o l l e r 1 8 2 5s 啪m a i y 2 0 c h a p t e r 3r o l l e rt e s t i n gm a c h i n e 2 1 3 1m a i nt e s ti t e mo f t e s t i n gm a c h i n e 2 l 3 2t e c h n i c a lp r o 掣a mo f t e s t i n gm a c h i n e 2 1 3 2 1e x i s t i n gp l a t f o mo f r o l l e rt e s t i n gm a c h i n e 2 l 3 2 2t e c h n i c a lp r o 伊锄o f n e w t y p eo f t e s t i n gm a c h i n e 2 2 3 3r e l a t e dc a l c u l a t i o n so f t e s t i n gm a c h i n e 2 3 3 3 1b r i e f i n 仃o d u c t i o no f t e s t i n gm a c h i n e 2 3 3 3 2m o t o rp o w e r 2 5 i x 北京化t 大学硕i j 学位论文 3 3 3s p e e dc a l c u l a t i o n 2 5 3 3 4b u r d e nc o n d i t o n go f t e s t i n gm a c h i n e 2 6 3 3 5p o s o t i o no f m o t o r 2 7 3 3 6p o w e rm e t e ro f t e s t i n gm a c h i n e 2 8 3 3 7b e l to f t h et e s t i n gm a c h i n e 2 8 3 4s u m m a 3 0 c h a p t e r 4f e mo fr o l l e r 3 1 4 1f e n lo f r o h e r 3 1 4 2f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f r o n e r 3 l 4 3r e s u l t sa n da n a l v s i su n d e rc e r t a i nl o a d 3 2 4 3 1t h em a x i m 啪s t l e s sa n dd i s p l a c 锄e n to f r o l l e r 3 2 4 3 2r a d i a ld e f o n 】1 a t i o no rr o l l e r 3 5 4 4s t i e s sa n dd i s p l a c 锄e n to f r d l l e ru n d e rd i f 王打e n tl o a d s 3 6 c h a p t e r5p e r f o r m a n c et e s to fr o l l e r 3 9 5 1t b s tp r o c e d u r e 3 9 5 2p r 印a r a t i o nb e f i o r et e s t 3 9 5 3t b s tm e t h o d sa n dt o o l s j 4 l 5 4s t a n i n gp o w e ro ft e s t 4 1 5 5r o t 砌了r e s i s t a n c et e s t 4 5 5 5 1p o w e r d 嘶n gn o m a lo p e r a “o no f p a r o l l e r 4 6 5 5 2p o w e rd u r i n gn o m a lo p e r a t i o no f m e t a l l i cr o l l e r 4 8 5 5 3a n a l y s i so f r o t a r yr e s i s t a n c e 5 1 5 6w e a ro f r o l l e r 5 2 c h a p t e r6c o n c l u s i o n 5 5 6 1r e s e a r c hs u m m a 叫5 5 6 2p r o b l e m sa n de x p e c t a t i o no f t h e s i s 5 6 r e f b r e n c e s 5 7 x c o n t e n t a c k n o w l e d g m e n t s 5 9 p a p e r sd u r i n gg r a d u a t e 6 1 a u t h o ra n dt u t o ri n t r o d u c t i o n 6 3 x i 符0 说叫 牵引力，n 扭矩，n m 半径，m 转动惯量，k g m 2 角加速度，r a d - s 2 功率，w 转速，r m i n 。 直径，m 轴向力，n 屈服极限，m p a 带长，m m 中心距，m m 力矩，n m 螺纹中径，m m 螺纹升角，o 当量摩擦角，o 螺纹螺距，n u n 摩擦系数 螺纹的牙侧角，o 密度，k g m 3 体积，m 3 符号说明 f m r ， 刀 d 凡 口 三 d j 少p p 厂 p 矿 北京化工人学硕j ：学位论文 x l v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 有关托辊密封结构的综述 1 1 1 皮带机的应用现状 带式输送机又称皮带机或胶带机，是广泛应用于煤矿、铁矿、港口、粮站、沈煤 厂、焦化厂、化肥厂、发电厂等地传送固体散料或粒料的一种物料输送机械。由于带 式输送机具有结构简单，架设灵活，占地少且能满足连续生产要求，因而在物料传送 领域具有不可替代的作用。皮带机的长度从几米到几千米不等。目前市场上的大型皮 带机长度可达2 0 0 0 米左右，皮带宽度高达2 米，而小型皮带机长度不足1 0 米，皮带 宽度3 0 0 m m 左右。如图卜1 所示为煤矿井上输运块状或粉状煤炭的带式输送机。图 卜2 所示为粮站运送散装玉米、小麦等粮食的小型带式输送机。 1 1 2 托辊的种类 图1 1 煤矿川带式输送机 f i g 1 - lb e l tc o n v e y o ru s e di nc o a lm i n e 托辊可分为许多种类。就托辊制造材料来讲，目前市场常见的托辊如下几种：铸 石托辊、陶瓷托辊、钢制托辊、尼龙托辊、p v c 托辊、脲醛树脂托辊、酚醛树脂托辊、 北京化t 人学硕i ：学位论文 超高分子量聚乙烯托辊、聚氨酯托辊、 这些托辊中使用量最大的是钢制托辊、 玻璃钢托辊、橡胶托辊等材料制成的托辊，在 尼龙托辊和脲醛树脂托辊( 如图卜3 所示) 。 图卜2 粮站川小型带式输送机 f i g 1 2s m a l lb e l tc o n v e y o ru s e di nb 锄 图卜31 ! 金属托辊 f i g 1 3n o n m e t a i l i ci d l e rm l l e r 就托辊直径来讲，目自仃市场上有8 9 、1 0 8 、1 3 3 、1 5 9 、1 9 4 等多种直径的 托辊。目前使用量最人的是西8 9 、1 0 8 、1 3 3 和m 1 5 9 等四种直径的托辊。托辊的 2 第一章绪论 长度与托辊的直径有关，对于8 9 托辊而言，托辊长度一般为1 8 0 1 0 0 0 n ；对于 m 1 0 8 托辊而言，托辊长度一般为2 4 0 1 2 0 响m ；m 1 3 3 托辊而言，托辊长度一般为 3 7 5 1 6 0 0 n m ；1 5 9 托辊而言，托辊长度一般为4 6 5 1 8 0 0 删 i l ；1 9 4 托辊而言，托 辊长度一般为6 0 0 2 2 0 0 删 1 l ，如表卜1 所示。托辊直径与转速及运送量的关系将在第 二章做具体的分析和说明。 表卜1 托辊尺寸 t a b l e1 一lr 0 1l e rs i z e1 i s t 托辊直径( 咖)托辊k 度( 姗) m 8 9 1 8 0 1 0 0 1 0 8 2 4 0 1 2 0 0 1 3 33 7 5 1 6 0 0 1 5 9 4 6 5 1 8 0 0 m 1 9 46 0 0 2 2 0 0 1 1 3 托辊失效机理 托辊是带式输送机中用量最大，更换频率最高的零部件，是影响皮带机使用效果 的关键部件之一，约占整机重量的3 0 4 0 ，占整机价格的2 5 3 0 。目前国内使 用的托辊寿命从几小时到几个月不等，托辊失效的形式一般表现为因轴承损坏而不能 正常运转。 早期的研究认为这是由于选用的轴承不合理所致，因为带式输送机一度大量使用 2 0 4 、2 0 5 系列轴承。目前在带式输送机中广泛使用煤科总院上海分院运输机械研究所 研制的2 0 4 k a 、2 0 5 k a 、3 0 5 k a 、3 0 6 k a 和7 0 4 k a 系列大游隙专用轴承。 但是在使用了专用轴承之后，托辊仍然大量出现由于轴承损坏而失效的情况，轴 承失效的表现形式为运转阻力大或者不能灵活旋转。其原因主要为以下两点： ( 1 ) 润滑脂变质。由于矿用带式输送机大多工作在多粉尘的环境中，在长期的运 转过程中，粉尘侵入轴承的润滑脂中，造成润滑脂流动性变差，润滑效果大打折扣。 若轴承持续在干摩擦状态下运行，势必会逐渐磨损轴承滚珠直至轴承失效。 ( 2 ) 润滑脂在使用中逐渐变少。造成这一现象的原因是托辊轴承的“呼吸 效应。 所谓“呼吸”效应是指托辊在高速运转的情况下，由于内摩擦的存在，必然导致热量 的产生，引起轴承密封腔内温度的升高和润滑脂的汽化，进而导致密封腔内压力的上 升，这时密封腔内的介质有向外扩散的趋势。这一过程称为“呼气过程。当托辊停 止运行后，随着温度的降低，密封腔内的压力也随之降低，这时在“呼气”阶段汽化 的润滑脂降温冷却并缩网密封腔内，这一过程称为“吸气”过程。这一呼一吸就构成 了托辊轴承的“呼吸”效应。在“呼气”过程中，密封腔压力高于外界大气压力，密 北京化t 火学硕i ：学位论文 封圈外的粉尘等污染物不会随空气的流动进入密封腔来影响润滑脂的品质或腐蚀轴 承；但是在“吸气”过程中，大量的粉尘颗粒等污染物会随气流进入密封腔内，从而 导致润滑脂的污染。长期的“呼吸 效应会导致润滑脂中混入其他杂质，使得有效润 滑脂的量减少，因而加快了轴承的磨损。 1 1 4 现有托辊的密封形式 在以往的研究中，有相当一部分研究人员将研究重点放在了托辊的辊筒的材料 上。而由以上的分析可知，托辊失效表现为轴承的失效，而轴承的失效是由于密封效 果不良而使粉尘等污染物“有机可乘 ，若托辊的密封结构能够防水防尘，则可在很 大程度上能长期保证润滑脂的润滑效果。可以说，轴承才是托辊的核心，而保护核心 的办法就是密封结构。因此，托辊的使用效果实际由密封结构的密封效果所决定。 目前带式输送机托辊的密封结构大多选用非接触式迷宫密封，有关托辊密封结构 的学术文献和专利也都集中在迷宫密封领域。 迷宫密封是2 0 世纪6 0 年代开始研究并应用的密封形式。它是通过在泄漏通道内 加设多个齿或槽末增加介质泄漏过程中的流动阻力，使通过泄漏通道的介质压差逐渐 降低，当泄漏通道两端的压力平衡时，即可实现封严不漏。其基本的结构形式如图1 4 所示【2 】( 卜内密封圈；2 一外密封圈；3 一轴承座) ，工作原理则如图1 5 所示【3 】。 l23 图l - 4 迷宫密封的结构简图 f i g 1 - 4t h es t m c t u r ec h a no fl a b 蜘n t hs e a l 4 第一章绪论 图1 - 5 迷宫密封装置原理 f i g 1 5p r i n c i p l e so fl a b ) ，r i n t hs e a l 从结构简图上可以看出，迷宫密封在泄漏通道内设置了多个依次排列的环形密封 齿，齿与齿之间形成了一系列节流间隙与膨胀空腔，一个节流齿隙和一个膨胀空腔构 成了一级迷宫，多级迷宫组成了实际应用的迷宫密封结构。齿隙的作用是把泄漏流体 的势能( 压力能) 转变为动能，而空腔的作用是通过流体的湍流混合作用尽可能地把 流体经齿形转化的动能变为热能，而不是让它恢复成压力能。流体通过迷宫产生阻力 并使其流量减小的现象称为迷宫效应。实际上迷宫效应是水力摩阻效应、流束收缩效 应、热力学效应和透气效应等的综合反应。迷宫密封的工作机理可以简单理解为被密 封介质在通过曲折迷宫的问隙时产生节流效应而达到密封阻漏的目的。 非接触式迷宫密封的旋转阻力较小，且可以通过设置多级迷宫而达到指定的密封 要求。由迷宫密封的工作机理可以看出其对托辊轴承的“呼吸”有很好的适应性。但 是在用于煤矿井下作业的带式输送机托辊时，其防水防尘性则需要加强。因为迷宫密 封属于非接触式密封，其自身的防水性较差，且迷宫密封的密封效果与转速的平方成 正比，即转速越高密封效果越好，停车时密封效果最差n 一1 。在托辊的密封结构中，用 的最多的还是迷宫密封和其他附加密封的组合密封形式。 为了改善托辊的性能，近年来带式输送机及托辊的设计者主要从两方面着手：一 是使用新型材料取代之前广泛使用的钢制托辊，以配合新型密封结构；二是使用其他 密封结构代替传统的迷宫密封结构。 ( 1 ) 新材料新结构托辊 传统托辊的辊筒、轴和轴承多采用钢材制成。这种材料的托辊重量大且不耐腐蚀、 不耐磨损。为了达到减轻重量，延长托辊使用寿命的目的，近年来出现了一些非金属 材料的托辊。 目前已投入使用的有酚醛树脂托辊、脲醛树脂托辊、尼龙托辊等高分子材料托辊。 另外也有陶瓷托辊、玻璃钢托辊等非盒属材料托辊。与传统钢制托辊相比，由上述材 料制成的托辊具有重量轻、耐磨损、抗腐蚀、旋转阻力小、对传送带磨损轻的优点。 使用上述新材料托辊时，传统的轴承及轴承座材料已不能满足使用需求。此类托 辊需采用橡胶轴承座或无轴承结构。例如在陶瓷托辊中使用橡胶轴承座与陶瓷辊筒配 合组装，可使陶瓷托辊的使用寿命比钢制托辊的使用寿命提高2 倍以上哺1 。 北京化t 火学硕+ 卜学位论文 虻_ k 图卜6 无心轴结构托辊 f i g 1 - 6n o n s p i n d l er o l l e rs t r i l c m r e 此外，还有去除心轴与铸铁轴承座的无心轴托辊，如图卜6 所示口1 。此类托辊辊 筒一般采用整体旋压成型，即将托辊坯料管材采用旋压工艺加工成半轴结构，而后将 轴承安装在辊筒两端的半轴上。无心轴托辊消除了管体一轴承座、轴承座一轴承的连接 松动，从而提高了托辊的使用寿命。 目前，部分酚醛树脂托辊和其他非金属材料托辊已在沈煤厂和盐场等地得到推广 使用碑1 。 ( 2 ) 用唇式密封代替迷宫密封的托辊 唇式密封属于接触式密封，无论托辊运行或者停机时均有一定的密封效果，且接 触式唇式密封的防水效果较非接触式的迷宫密封的防水效果好很多。图卜7 所示( 卜 筒体；2 一唇式密封圈；3 一挡板；4 一托辊轴；5 一轴承；6 一轴承座) 为典型唇式密封的结 构简图阳1 。唇式密封的密封条一般由性能稳定、耐磨、阻燃抗静电的聚氨酯材料制成。 图卜7 唇式密封原理图 f i g 1 - 7l i ps e a ls k e t c h 6 第一章绪论 图l 一7 所示的唇式密封的密封条与轴由平行布置，也可将该密封条旋转9 0 。，即 垂直于轴布置。装配时，密封唇与托辊轴过盈配合，除托辊运转时密封效果可靠外， 还可解决停车时迷宫密封的密封失效问题。由于正常工作时密封唇与托辊轴之间存在 一定的过盈配合量，这种密封方式的缺点是运转阻力较迷宫密封大。若带式输送机托 辊大量采用此种密封时，整个设备的能耗较高。 ( 3 ) 其他种类的密封结构 除了上述两种密封结构外，还有许多采用专用密封件的密封结构。图卜8 所示( 其 中卜简体；2 一轴承座；3 一甩油盘：4 一蝶形圈；5 一定为盘；6 一注油孔) 为有别于迷宫密 封和唇式密封的一种离心密封结构n0 1 。在托辊的运转过程中，通过离心力使灰尘和水 分经由专门设计的甩油杯排出轴承座。 这种专利密封结构未见大规模使用，但是分析其原理可知存在技术上的可行性。 但是此种密封结构的缺点也显而易见。这种密封结构中的零部件均为非标准结构，制 造时需要专门的模具或工序来保证产品的质量。这无疑提高了产品的成本，不利于大 量推广使用。 图卜8 带有离心装置的托辊密封结构图 f i g 1 - 8r o l l e rs e a ls t n l c t i l r ew i t hc e n t r i m g a ls e a lm e c h a n i s m 1 2 本课题的研究背景 由以上的分析可知，现阶段在带式输送机卜使用的托辊还存在着许多问题，尤其 井下设备的托辊使用寿命更足短暂。在邢台、邯郸等地煤矿的实际调研中也发现了托 北京化丁人学硕一i ：学位论文 辊在实际使用过程中存在的问题，其对长寿命托辊的需求十分强烈。目前在用的托辊 大多数由各地煤矿的矿务局下属机械厂或其他小型机械厂研制生产。虽然对于密封结 构的防尘机理已经有了比较详尽的认识和理解，但是在实际使用过程中，托辊密封结 构的实际效果还不太令人满意。 此外，2 0 0 9 年4 月2 同，国家质量监督检验检疫总局联合中国标准化管理委员会 发布了新的带式输送机国家标准g b1 0 5 9 5 2 0 0 9 ，取代了之前的g b t9 8 7 1 9 9 1 ，g b t 9 8 8 1 9 9 1 ，g b t9 9 0 1 9 9 1 和g b t 1 0 5 9 5 。1 9 8 9 ，并于2 0 0 9 年1 1 月1 日丌始正式实施。 新的国家标准中，对于带式输送机托辊的性能做了详细的要求，其中包括托辊的旋转 阻力、防水防尘性能、轴向跳动量等内容，并对测试上述性能的试验方法做了规定。 由于之前实施的国家标准中未对托辊的性能测试做要求，截至本课题开始时，绝 大多数企业尚未对新标准中托辊测试的内容做出响应。换言之，尚未见到满足新国标 要求的托辊试验机。因此，研制托辊试验机，具有重大的理论意义和实际价值。 1 3 本课题的主要意义及研究内容 1 3 1 本课题的目的及意义 由于托辊密封结构对托辊的性能起着至关重要的作用，因此托辊的设计重点就在 于设计密封效果好、旋转阻力小、运行能耗低、耐磨损使用时间长、设备投资小的新 型密封结构托辊。 对于托辊密封结构来说，需要设计一种区别与以往托辊密封结构的新型结构，以 达到密封效果好、运转阻力小、使用寿命长等目的。已有的托辊在上述几项指标上均 有待改进和完善，因此借鉴意义不大。要想达到设计目的，必须突破现有结构的性能 瓶颈，从根本上解决其存在的问题。 由于新的带式输送机国家标准g b1 0 5 9 5 2 0 0 9 于2 0 0 9 年4 月2 同发布，并于2 0 0 9 年1 1 月1 日开始实施，其中关于托辊的性能有了新的要求和标准，尤其对性能测试 部分首次做出了明确的规定，因此，对于全行业来说，托辊试验机都是一个新生事物。 截至本课题丌题时，只有煤炭科学研究总院上海分院研制出了托辊试验机，但是功能 比较单一，多台试验机分别测试防水、防尘、旋转阻力等性能，价格达8 0 0 0 2 0 0 0 0 元。本课题所研制的试验机在一台测试机上即可测得旋转阻力和磨损量等性能，且能 模拟带式输送机不同的负载状态，灵活性、实用性和操作便利性均超过了煤科院研制 的试验机。 有了托辊试验机之后，可以通过托辊试验机的实际试验，对比现有托辊及新设计 的托辊的性能，从而选出一种满足设计要求、综合性能最好的托辊。 第一章绪论 1 3 2 本课题的主要研究内容 本课题的研究内容主要包括四个方面，即新型密封结构的设计、托辊试验机的设 计、托辊的有限元计算与模拟以及托辊的性能测试。托辊的性能测试主要是指在新设 计的托辊试验机上测试和比较托辊的旋转阻力和磨损量等性能。 在本课题的研究中，需要依据摩擦与润滑的基本原理，结合煤矿井下设备的工况 特点，将托辊的密封结构作为研究重点，通过研究和实测，为带式输送机托辊设计新 型的密封结构，克服现役托辊密封结构不可靠、能耗高、寿命短等缺点，设计一种或 几种新型的密封结构，以达到防尘效果好，运转阻力小，使用寿命长的目的，最终找 到一种密封效果好、价格便宜适合大规模推广使用的煤矿井下用带式输送机托辊。 由于新型密封结构托辊在材料上由金属改为尼龙，在实际使用之前，需要先对两 种托辊进行有限元的计算和分析，对托辊在不同的工况条件下的性能