皮带输送机托辊的可靠性设计与有限元分析优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

国内图书分类号 工臼 z 2 国际图书分类号 工程硕士学位论文 皮带输送机托辊的可靠性设计 与有限元分析 硕士研究生 苤渔邃 导师姓名 三馑强教授 申请学位级别 王猩亟 学科 专业 扭越遮i 土壁理诠 所在单位 扭越工程堂陵 答辩日期 2 q q 窆生1 2 且 学位授予单位 直岛理王太堂 c l a s s i f i e di n d e x t h l17 2 u d c j f t l l r l j ll f l l l l l li j f fl j f l l l l l l f f l lf f y 2 0 0 0 9 5 9 d i s s e r t a t i o nf o rl h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g 一一 一 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n dr e l i a b i l i t yd es i g no f r o l l e ro fb e l tc o n v e y o r c a n d i d a t e s u p e r v i s o r s uh a i b i n p r o f w a n gy o u q i a n g a c a d e m i cd e g r e e a p p l i e df o r m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y s c h o o l m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n l2 2 0 0 9 u n i v e r s i t y q i n g d a ot e c h n o l o g i c a lu n i v e r s i t y 硕士学位论文 皮带输送机托辊的可靠性设计 与有限元分析 学位论文答辩e l 期 指导教师签字 答辩委员会成员签字 摘要 目录 a b s t r a c t 第1 章绪论 1 1 带式输送机概述 1 2 托辊的发展 1 3 托辊研究现状 1 4 本文研究意义及主要研究内容 第2 章托辊结构分析与设计 2 1 托辊结构 2 2 托辊材料的选择和技术要求 2 2 1 托辊外壳材料的选择和技术要求 2 2 2 轴承座的选用和技术要求 2 2 3 轴承的选用及润滑 2 2 4 密封圈的设计和选择 2 3 托辊的型号选择 2 4 托辊的加工工艺要求 2 5 托辊载荷计算 2 5 1 托辊尺寸和材料 2 5 2 辊径的选择 2 5 3 托辊承载能力计算 2 6 本章小结 第3 章托辊的可靠性分析 3 1 故障树分析法 3 1 1 建立系统故障树的基本步骤 3 1 2 故障树中使用的符号 3 1 3 故障树的定性分析 3 1 4 故障树的定量分析 一一 4 1 1 2 6 8 o o l 1 1 2 3 3 3 4 5 6 7 0 1 钿 一 一 以 础 加 加 小 小 挖 b h 坫 m n 捞 加 加 殂 扒 丝 挖 3 2 托辊轴承的失效 3 2 1 托辊轴承失效机理 3 2 2 托辊轴承失效的故障树分析 3 3 托辊轴 管体与轴承座的失效 3 4 密封件的失效 3 4 1 橡胶密封件失效的形式 3 4 2 密封件失效的故障树分析 3 4 3 预防密封件失效的措旅 3 5 润滑脂的失效 3 5 1 物理力学因素引起失效 3 5 2 化学因素引起的失效 3 5 3 杂质引起的失效 3 6 本章小结 第4 章托辊建模与有限元分析 4 1 托辊的建模 4 1 1p r o e g i n e 盯w i l d f i r e 软件介绍 4 1 2 建立托辊几何模型 4 2 a n s y s 简介 4 3 托辊有限元分析 4 3 1 托辊壳体的有限元分析 4 3 2 轴承座的结果分析 4 3 3 托辊轴的结果分析 4 4 本章小结 第5 章托辊轴承的弹流润滑分析 5 1 几何关系 5 2 无量纲参数 5 2 1 计算载荷参数 5 2 2 计算速度参数 5 3 载荷参数对润滑性能参数的影响 5 3 1 载荷参数对压力分布和油膜厚度的影响 2 仍 仍 埘 讲 脚 伪 渤 如 如 钉 砣 弛 砣 驺 弱 钳 拍 钞 钉 钮 够 舛 舛 3 青岛理工大学工程硕士学位论文 摘要 托辊是影响带式输送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5 3 0 在带式输送机中 托辊用于支承输送带和货载 并且保 证输送带的垂度在设计限定的范围内 在带式输送机的设计中 托辊的选择和选 用数量对于带式输送机的正常使用 稳定运行 维护费用 功率消耗 整机价格 有重要影响 托辊的失效往往造成停产检修 使企业遭受很大的经济损失 因此 针对现 有托辊存在的问题对托辊进行可靠性设计和有限元分析 研究其失效机理 建立 失效故障树 并分析其组件在工作条件下的应力应变的特点 对于改进其结构减 轻重量及提高其工作寿命是很有意义的 本文主要作了以下工作 1 对托辊装置进行了结构分析与设计 分析了托辊运行过程中各结构的受 力状况 对托辊进行了结构设计 并重点对托辊所受载荷进行了计算 包括托辊 的辊径的选择计算 承载能力计算 2 通过分析托辊失效的各种机理 并对各种故障形式进行失效分析 通过 使用故障树诊断法对托辊轴承进行失效的定性分析和失效的定量分析 判断出托 辊轴承失效的各种故障形式 3 通过p r o e 建立托辊的几何模型 然后将建好的几何模型通过a n s y s 与p r o e 之间的无缝连接导入a n s y s 中进行有限元分析 输出分析结果 并进行 相应的应力应变分析 4 在不考虑温度效应的牛顿流体基础上 建立了托辊轴承线接触弹流润滑 的数学模型 论述了多重网格方法的基本原理 并采用多重网格法求解了弹流润 滑方程组 得到了数值计算结果 关键词 带式输送机 托辊 有限元分析 a n s y s 弹流润滑 青岛理工大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t i d l e ri so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so ft h eb e l tc o n v e y o r i ta c c o u n t sf o ra b o u t3 0 一4 0 o ft h ew e i g h ta n d5 3 0 o ft h ep r i c e i nt h eb e l tc o n v e y o ro ft h eb e l t c o n v e y o r i ti su s e df o rs u p p o r t i n gt h eb e l t a n dt o6 江 l s u r et h ec a r g oa n dv e r t i c a lo ft h e c o n v e y o rb e l ti nt h el i m i t e dr a n g e i nt h ed e s i g no fb e l tc o n v e y o ri d l e r t h ec h o o s ea n d t h en u m b e ro ft h ei d l e ri n f l u e n c et h en o r m a lu s e s t a b l eo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ec o s t s p o w e rc o n s u m p t i o n t h ep r i c eo fb e l tc o n v e y o r t h ef a i l u r eo fi d l e ro f t e nd i s c o n t i n u e do v e r h a u l m a k ee n t e r p r i s es u f f e r e dh u g e e c o n o m i cl o s s e s t h e r e f o r e i d l e rr e l i a b i l i t yd e s i g n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s f a i l u r e m e c h a n i s m e s t a b l i s hf a i l u r et r e e a n da n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r e s sa n ds t r a i no f i t sm o d u l e si nw o r k i n gc o n d i t i o n si sv e r ym e a n i n g f u l f o ri m p r o v e m e n to fi t ss t r u c t u r e r e d u c i n gi t sw e i g h ta n di m p r o v i n gt h ew o r k i n gl i f e t h i sp a p e rm a d eaj o b 1 p a i r so fr o l l e rd e v i c e so fs t r u c t u r a la n a l y s i sa n dd e s i g n a n a l y s i so ft h er o l l e r d u r i n gt h eo p e r a t i o ns t a t u so ft h es t r u c t u r eo ft h ef o r c eo nt h er o l l e rc a r r i e do u t s t r u c t u r a ld e s i g n w i t ha ne m p h a s i so nt h er o l l e rs u f f e r e dl o a d sw e r ec a l c u l a t e d i n c l u d i n gt h ei d l e rr o l l e rp a t hs e l e c t i o nc a l c u l a t i o n c a l c u l a t i o no fl o a dc a p a c i t y 2 b ya n a l y z i n gav a r i e t yo fr o l l e rf a i l u r em e c h a n i s m s a n dv a r i o u sf a u l tf o r m so f f a i l u r ea n a l y s i s f a u l tt r e ed i a g n o s i sm e t h o dt h r o u g ht h eu o fr o l l e rb e a r i n g so nt h e f a i l u r eo ft h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ff a i l u r e d e t e r m i n ea v a r i e t y o fr o l l e rb e a r i n gf a i l u r ef a u l tf o r m 3 t h r o u g ht h ep r o et oe s t a b l i s ht h eg e o m e t r i cm o d e lo fr o l l e r a n dt h e na9 0 0 d g e o m e t r i cm o d e lw i l lb eb u i l tb ya n s y sa n dp r o ei n t oa n s y ss e a m l e s sc o n n e c t i o n b e t w e e nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o u t p u ta n a l y s i s a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs t r e s s s t r a i n a n a l y s i s 4 w i t h o u tt a k i n gi n t oa c c o u n tt h et e m p e r a t u r ee f f e c to nn e w t o n i a nl u b r i c a n t b e h a v i o ri se s t a b l i s h e db a s e do nt h e b e a r i n g l i n ec o n t a c t e l a s t o h y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o n e h l m a t h e m a t i c a lm o d e l s t h em u l t i 鲥dm e t h o do ft h eb a s i cp r i n c i p l e s w a sd i s c u s s e da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sw e r eo b t a i n e db ys o l v i n gt h ee h l e q u a t i o n su s i n gt h em e t h o d k e y w o r d s b e l tc o n v e y o r i d l e r f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n s y s e l a s t o h y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o n i i 青岛理工大学工程硕士学位论文 1 1 带式输送机概述 第1 章绪论 现在带式输送机已成为运输散装物料的主要设备 其使用已有二百年的历 史 在1 7 9 5 年 欧美国家就使用它来输送谷物 到二十世纪以后 带式输送机 的应用越来越广泛 成为煤炭 铁矿石的主要输送设备 在某些领域已取代汽车 船舶及火车常用运输工具 大大节省了运输费用 尤其近年来 随着工业和科学 技术的发展 大运量 长距离 高带速的输送特性已成为带式输送机的发展主流 f 1 1 带式输送机在冶金 矿山 化工 港口和电站等工业领域都有广泛的应用 带式输送机主要应用在输送散装物料方面 具有其他运输方式没有的运输特 性 显示出很好的经济性能 带式输送机的主要优点有以下几点 1 运行阻力小 用来支撑输送带的托辊可以转动 大大减小了运行阻力 2 输送距离长 由于设计和安装的特点 其输送带可以进行远距离的输 送 而且距离一般没有限制 3 经济性能好 同样的运输距离 同样的货物重量 带式输送机所需要 的费用要比其他类型的运输设备便宜 并且其设计 制造 安装和维护的成本也 比较低 5 输送倾角大 现在研制的大倾角输送机可将输送倾角提高到6 0 0 9 0 0 这是其他类型的输送设备所不具备的 6 速度高 国内使用的带速已打到3 5 4 2 m s 速度快 效率高 伴随着大型带式输送机的发展 除了以上的优点 还有功率大 耗电量低 传送系统运行平稳等优点 使其运行安全可靠 比较容易自动控制 使用周期长 为了达到输送系统的最佳配置 所以在设计过程中要对其进行优化设计 带式输 送机虽然提高了输送效率 降低了成本 也满足了长距离 大运量输送的需要 但也使其设计越来越复杂 考虑的因素越来越多 同时也增加了经济成本 目前 带式输送机的设计主要采用传统设计方法 根据多年的积累经验和设 计参数进行设计 传统方法只能满足于短距离输送机的设计 包括结构 尺寸和 加工制造等 而不能对系统的动态问题进行分析 对输送过程中的运动特性等没 有涉及到 尤其是对新型的输送机 长距离 高速度等输送性能使一些原来影响 不大的问题变得突出 比如说整机的成本较高 在输送过程中产生的运行阻力问 题 驱动电机的选择和皮带的拉紧不正常等问题 由于带式输送机不同的规格和型号的投资费用不同 一般而言 输送距离越 长 成本就越高 现在长距离输送机应用非常广泛 所以要对其进行合理的结构 设计和性能分析 以降低成本 在输送机的加工制造过程中要考虑的主要费用有 输送带 驱动电机 机架和托辊 1 减少托辊数量 不同的输送带类型 宽度 运行速度 托辊的设计间 距是不相同的 托辊的数量直接影响成本的高低 要合理的设计托辊的间距 考 虑运行稳定性和成本的关系 在保证运行稳定的基础上尽量减小托辊间距 技能 降低成本 又能降低带式输送机运行时的共振问题 2 降低输送机运行阻力 输送机在运行过程中会产生运行阻力 消耗能 量 所以要尽量降低运行阻力 运行阻力的大小与托辊的加工制造和安装质量有 直接的关系 3 降低输送带的成本 在输送带的选择中 要选择张力低和强度低的类 型 能够降低输送带的成本 使用多点线摩擦驱动方式 分段驱动方式都能够降 低输送带的张力 4 选择合理的驱动系统 驱动装置是输送机的能源动力装置 常采用大 功率来满足启动转矩的需要 但也会产生输送机的振动问题 为了减小振动 科 研人员开发出了新的启动技术 利用软启动技术已经得到了实现 现在应用普遍 的软启动装置有变频器 调速型液力耦合器以及c s t 软起动装置等 使经济效 益得到了大幅度的提高 1 2 托辊的发展 托辊是影响输送机使用效果的关键部件之一 约占整机重量的3 0 0 0 4 0 占整机价格的5 0 0 3 0 在带式输送机中 托辊用于支承输送带和货载 并且保 证输送带的垂度在设计限定的范围内 在带式输送机的设计中 托辊的选择和选 用数量对于带式输送机的正常使用 稳定运行 维护费用 功率消耗 整机价格 有重要影 向 6 托辊的外观图如图1 1 所示 2 由于带式输送机在运输的领域的特殊地位 所以对输送机托辊的研究越来越 重要 现在 对托辊的研究分析主要是托辊内部结构和托辊外形结构两大部分 并且已经取得很好的研究成果 使托辊在内部结构上达到结构合理 密封性好 运转可靠 经久耐用 在外形结构上达到对胶带有良好的接触性 保护性以防止 跑偏 使输送量增大等效果 另外 托辊的使用材料也是设计的一个重要内容 现在新型材料不断增加 制造托辊的材料越来越多 所以要选择合理的材料使托 辊达到更好的性能 为了保证输送机的工作效率和降低成本 要对托辊进行合理 的结构设计和加工制造方法 根据带式输送机的类型 可以把托辊分为不同的类型 具体到某一带式输送 机 在结构上 托辊分为上托辊和下托辊 上托辊的数量一般是3 4 个 类型包 括自动普通托辊 调心托辊和缓冲托辊等 下托辊的数量一般是l 2 个 主要类 型有清扫带式托辊和普通托辊等 随着带式输送机的技术发展 对新型托辊的研 究也受到重视 出现了一些结构独特 性能优良的新型产品 下面简单介绍一下 1 柔性托辊 柔性托辊是指具有柔性性能 在运行过程中对胶带有着良好的接触性和保护 性 在工作性能上能够增加输送机的运量和提高输送机的需用倾角 一般用在普 通的运输行业 柔性托辊根据制造材料的不同可以分为以下几种类型 1 抛物线式托辊 此托辊装置的托辊轴是柔性芯轴 可以使输送带自然下 垂形成抛物线形状 主要包括两个长短滚动体 柔性芯轴和连接装置等 在芯轴 上 长 短圆柱状滚动体按一定的分布形式安装 并能够转动 青岛理工大学工程硕士学位论文 2 弹簧式托辊 结构上主要包括圆柱型螺旋弹簧和悬挂机构组成 弹簧在 工作时自然下凹与胶带成线接触 起到支撑胶带和载荷的作用 其最大特点是能 够有效的解决胶带跑偏的问题 3 可调式弹簧托辊 此类型托辊由圆柱型螺旋弹簧 吊挂装置和调节装置 组成 螺旋弹簧按左右旋交替安装 可通过联结轴施加预紧力 能够控制弹簧的 下垂幅度 这样就可以实现自动调心和防止胶带跑偏等作用 4 挠性螺旋式托辊 由支架 螺旋辊 软轴和轴承座等组成 在结构上 螺旋轴不承受载荷 所以不会发生变形和失效 而且螺旋参数与胶带宽度和负载 无关 5 钢丝绳芯托辊 由钢丝绳芯轴 橡胶辊体 回转机构等组成 挠性钢丝 绳芯轴由芯轴与钢丝形成 凹凸沟槽式橡胶辊体与钢丝绳芯轴组成一个整体 另 外 还有回转机构 一般适用于矿山 港口等运输领域加 2 防止胶带跑偏或自动调心式托辊 1 带立辊式自动调心托辊 由立轴 槽型托辊 托辊支架等组成 立轴的 主要作用是防止胶带跑偏 通过与胶带产生的摩擦力进行调心 2 差速挠辊型可逆调心托辊 由圆柱辊 锥形辊 托辊组旋转支架等组成 在安装时 锥形辊的小头向上 与一个圆柱辊组成槽型托辊组 运行时 锥形辊 锥面会产生速度差 存在摩擦力 可以使支架回转一定角度 从而起到调心的作 用 3 m t 型可逆自动调心托辊 主要由曲线旋转装置 侧辊 中辊及托辊组 旋转支架等组成 在侧辊两侧安装两个曲线回旋体 与中辊一起组成槽型托辊组 在运行过程中 当胶带偏离时 胶带与曲线回旋体接触 就会产生摩擦力 当摩 擦力大于偏力 加上旋转支架的作用 便可使胶带自动调正 安装此类的输送机 胶带边部磨损很小 4 防跑偏螺旋托辊 由螺旋托辊 支架 轴承座等组成 螺旋托辊分为左 右两个旋向 一般在圆辊筒上紧套螺旋加工制成的 此槽型托辊组 主要由螺旋 托辊 圆柱状托辊组成 运行时螺旋托辊胶带保持在托辊组中心位置 防止跑偏 5 带螺旋沟槽的自动调心托辊 因为托辊外壳表面有螺旋状沟槽 所以当 胶带在上面运行时 会产生一垂直于胶带运动方向的推力 使胶带自动调整到中 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 心位犁1 2 1 3 大倾角输送机托辊 1 双排交错v 型深槽托辊组 其中两对托辊组向两侧对称倾斜安装 在两 个平行平面内交错排列 其中中间一对托辊的下端重叠交错呈v 型 另一端分 别与两边托辊的下端重叠交错 这样的结构能增加物料与输送带的摩擦力 从而 增加了输送机的许用倾角 适用于大倾角运输1 1 3 2 深槽托辊组 主要由两长 两短托辊组成 安装时两短托辊在下方 两 长托辊分别安装在短托辊的上方构成槽型托辊组 其中四个托辊轴线位于同一铅 垂面内 4 非金属辊筒托辊 非金属托辊是指使用非金属材料制造的托辊 主要根据输送环境所设计的 因为托辊的制造材料不同 其特性也有所不同 这种托辊可适用于化工 冶金 矿山 盐业 轻纺等运输场合 1 4 l 1 陶瓷托辊 由陶瓷材料制造 耐腐蚀 耐磨性较好 2 搪瓷托辊 以金属为基材 表面为搪瓷的钢瓷复合材料加工制造 此托 辊机械强度高 耐磨损 耐腐蚀 防水 防尘 3 阻燃橡胶托辊 该托辊辊筒是由在金属筒外表面固有一阻燃胶层构成的 该胶层能有效地防止托辊因摩擦升温而起火 4 非金属抗冲击托辊 辊筒采用抗静电荷阻燃材料制成 托辊内部安装抗 冲击拉伸弹簧机构 托辊两端采用迷宫密封 具有抗冲击 防腐蚀 耐磨等特性 由于现在输送机托辊的类型多种多样 所以在对托辊进行设计时 就会面临 很多的问题 主要的问题有 1 现在市场上的托辊商品种类非常多 而且结构 制造材料各异 导致性能也有很大的差别 性能好的托辊可以使用1 0 年以上 性能差的托辊只能运行几天 价格存在很大的差别 上千元到几百元不等 如何 选择价格合理 性能良好的托辊是用户首先面临的问题 2 在输送机结构中 如何合理布置托辊也是必须考虑的问题 托辊数量的多少直接影响整机的输送性 能和运行成本 在设计时 要合理的选择的托辊间距 在保证输送性能的基础上 尽量减少托辊的使用数量 从而降低整机成本 减少费用 以提高经济效益 在对托辊进行设计 主要考虑的性能指标有三个 1 使用寿命 当前没有 5 青岛理工大学工程硕士学位论文 一个统一的国际标准 各国家都使用自己标准 但规定使用寿命都在2 0 0 0 0 h 以 上 2 运行阻力系数 由整机的运行特点决定 不同的系统有不同的运行阻力 系数 3 托辊重量 其重量的大小与整机的性能有直接的关系 尽管托辊的结构比较简单 但目前所设计的托辊还达不到国家规定的标准要 求 在设计时考虑的指标不足 比如很少考虑运行阻力系数 所以在使用时 比 较容易失效 发生事故 造成了比较大的经济损失 这就要求设计者要提高输送 机的综合性能 重点研究起动技术 制动技术 自动张紧技术 机尾快速自移技 术等关键技术 提高托辊的可靠性 使用寿命 降低运行阻力系数 1 5 1 1 3 托辊研究现状 随着带式输送机的技术发展 托辊的结构和综合性能也在逐步提高 现在托 辊的研究方向主要包括新式托辊结构 托辊寿命短原因分析 结构优化和制造工 艺优化 各组件的失效分析 轴承的密封 柔性托辊的设计 托辊组的连接及分 布方式和新材料的应用等方耐1 7 1 国内外已有大批研究工作者进行了相关的研究工作 于同芹在论文中总结了 托辊的主要结构及发展方向 1 8 1 李晋霞分析了影响托辊寿命的原因 提出通过 改变托辊内部结构来提高托辊的使用寿命 赵世军研究了托辊结构的优化和批量 生产的工艺性问题 通过优化其结构和工艺性提高托辊的技术性能和使用寿命 包铁山在论文中对托辊现有结构的缺点进行分析 进行了结构优化和改进 1 9 1 由于托辊在带式输送机的重要性 所以在托辊工作过程中 分析其失效与故 障 减小转动阻力 提高技术性能与寿命是必要的 段兴青在论文中通过分析带 式输送机托辊转动阻力的状况 提出了如何减小托辊转动阻力的改进措施 2 0 曹博蕊通过对托辊轴的断口形貌 硬度等进行实验分析 研究了托辊轴断裂失效 的原因 2 1 1 张富增介绍了托辊管体的可靠性分析方法 对管体进行了可靠性分 析 胡坤对改进的无心轴式托辊进行有限元分析 提出新型托辊可克服普通有心 轴托辊的部分结构缺陷 2 2 1 杨占凯研究托辊接触应力计算 验证设计参数是否 合理 郭覃分析了托辊的使用寿命短的原因 分析了其失效主要原因是密封设计 不合理 介绍了高效的长寿命密封方法f 2 3 1 曹子立对托辊性能检测方法进行了 探讨 包括托辊轴向位移的测定和动旋转阻力测定 2 4 1 6 青岛理工大学工程硕士学位论文 王德军 奚伟民 程风丽在论文中介绍了将现有的皮带运输机所用托辊的轴 密封圈等部件进行改造 改变以往托辊不能现场加油润滑的弊端 使维护人员能 定期根据实际情况进行润滑 由以前的被动维修改成现在的主动维护 节约了大 量的人力和维修费用 2 5 l 雒建斌 沈明武 史兵 温诗铸在论文中讨论了速度 固体表面能 滑动比 润滑剂粘度和化学性能对薄膜润滑状态下油膜厚度的影响以及弹流润滑向薄膜 润滑转化条件和液体膜失效条件 进而提出了新的润滑状态划分标准以及不同润 滑机理下膜厚的变化情况 2 6 常秋林 张建蒙在论文中介绍了结合胶带机的设计使用要求和托辊的寿命实 验数据 进行托辊可靠性统计分析 为胶带机托辊的改进设计使用提供依据 提 供了托辊在使用寿命期间的更换方法刚 奚丽峰在论文中介绍了通过对托辊简单认识以及性能考核标准中径向圆跳 动 旋转阻力 密封性能 使用寿命等指标的成因分析 提出改善方案 以便稳 定地生产出满足安全及客户放心的产品 2 8 许庆军在论文中介绍了一种新型复合材料托辊一自润滑超混杂复合材料托 辊 它的套筒由超混杂复合材料制作 轴承采用聚苯硫醚三元共混自润滑耐磨复 合材料制作的自润滑滑动轴承 从材料 结构和润滑方式上 解决了防尘 防水 防腐 耐磨等技术难题 2 9 1 洪玉芳 廖怀洲 张益栋 甘利锋 汪久根在论文中提出 通过对多种润滑 状态测试方法的比较研究 提出用l 卜 c 阻容振荡法来监测滚动轴承的润滑状态 将电容法与电阻法的优点结合起来 用阻容振荡法能实现对全膜润滑 混合润滑 与边界润滑状态及其转化过程的监测 并通过实验对滚动轴承的润滑状态及其转 化进行了测试研究 3 0 1 胡佩昌在论文中介绍 以润滑油清洁度管理在润滑工作中的重要性为主线 阐述了润滑油污染的基本内涵和润滑油污染的基本种类及途径 同时剖析了润滑 油污染后设备在运行中的磨损机理 并对如何做好清洁度管理 应采取的措施进 行了探州3 1 1 赵祜昌在论文中介绍了结合煤矿井下皮带运输的特点 就皮带运输机常见的 故障进行总结 分别对皮带运输机皮带跑偏的处理 皮带运输机的撒料 常噪声 7 青岛理工大学工程硕士学位论文 减速机的断轴等现象进行了分析说明 并提出其处理方法 3 2 1 还新春在论文中讲到 皮带运输机是通用性系列产品 它是以连续物流方式 沿一定线路输送各种类货物的运输装置 在使用中 由于操作及维护不当等原因 易造成皮带跑偏 撒料等故障 如发生此问题 采用调整托辊及滚筒的安装尺寸 等方法纠正皮带跑偏 对于转载点及凹弧段皮带悬空等原因造成的撒料 亦可采 取相应措施 而确保皮带机的正常运行 3 3 1 马炬明 苏国同 沈定在论文中讨论了带式输送机托辊的设计及托辊间距的 确定 分析轴承 密封结构以及润滑方式对托辊性能的影响 从托辊的载荷计算 和加工方面讨论托辊的选择 使用逐点计算法计算托辊间距 综合考虑托辊间距 的影响因素 确定托辊间距 3 4 1 1 4 本文研究意义及主要研究内容 托辊作为胶带输送机的一个最小单元 在皮带机工作过程中承受百分之七十 以上的阻力 是皮带机中更换最频繁 用量最大的部件 它的质量好坏直接关系 到输送机的运转性能 如胶带的使用寿命 电机功率的消耗 胶带跑偏 胶带装 载能力以及铺设长度等等 都与托辊质量与性能的好坏有着直接的关系 因此 优化托辊的结构设计 提高托辊的制造和装配质量显得非常重要 3 5 1 针对现有 托辊存在的问题对托辊进行可靠性设计 有限元分析和轴承润滑分析 研究其失 效机理 建立失效故障树 并分析其组件在工作条件下的应力应变的特点 对于 改进其结构减轻重量及提高其工作寿命是很有意义的 本文主要进行以下工作 1 对托辊进行可靠性分析 通过综合全面地分析影响托辊工作的所有因素 利用模糊数学理论或灰色系 统理论 建立故障树对所有影响因素进行定量化 能够准确确定具体的托辊失效 的主因或具体原因 1 托滚轴 管体 轴承座的可靠性分析 2 轴承的可 靠性分析 3 密封件的可靠性分析 2 对托辊进行有限元分析 通过对托辊及各部件的有限元分析 根据托辊建模网格划分 施加工作载荷 查看其在工作载荷作用下的应力和应变 找出最大应力应变作用点 为就结构设 计提供理论依据 1 应用p r 0 e 软件对托辊各组成件进行三维建模 2 应用 9 青岛理工大学工程硕士学位论文 2 1 托辊结构 第2 章托辊结构分析与设计 托辊是输送带的主要支撑装置 普通的托辊 它的结构基本上都是由由托辊 轴 轴承 轴承座 辊皮 迷宫式密封及轴用弹簧挡圈组成 托辊的内部结构如 图2 1 所示 警材p i p e轴s h a f t 轴承8 随r i 岖轴承座b e a r i n g 如 图2 1 托辊结构 本文中所涉及的托辊的主要结构尺寸是长度和直径 而长度的确定又取决于 输送带宽度及输送带跑偏等因素 目前托辊长度已经有标准系列 主要有国际标 准 i s 及我国t d 7 5 系列和d x 系列 具体尺寸见表2 1 3 6 托辊直径与托辊的转速也有着密切的关联 托辊自身存在一定的椭圆度 这 是由于托辊制造精度做造成的 因此在托辊运转过程中 这种情况会导致胶带产 生垂直于运动方向的振动 如果胶带的强迫振动频率接近或等于胶带自由振动的 频率 此时共振现象就会产生并继而影响输送机的正常工作 所以为了避免在运输过程中产生过大的振动 托辊转速魄 托辊直径d 转 速瑰等都必须限定好 同时带速 有以下关系 尚叫丌 m 在目前的情况 下 托辊的转速n 还没有一个标准值 德国的某公司建议l r l x6 0 0 r m i r a 根据托 辊椭圆度的不同 日本的i h i 则推荐为n x 7 4 0 r m i n 和n b 6 1 0 r r a i n l o 青岛理工大学工程硕士学位论文 表2 1 托辊长度标准 三托辊组同程二托辊组回程单托辊组 带宽 i s t d 7 5 d x i sd xi st d 7 5 0 5 0 0o 2 0 0o 1 9 0o 6 0 00 6 0 0 0 6 5 00 2 5 00 2 4 00 7 5 00 7 5 0 0 8 0 00 3 1 50 3 0 50 4 6 50 9 5 00 9 5 0 1 0 0 0 0 3 8 0 0 3 7 5 0 6 0 0 1 1 5 01 1 5 0 1 2 0 0 0 4 6 0 0 4 5 5o 7 0 01 4 0 01 4 0 0 1 4 0 00 5 3 00 5 2 50 8 0 00 7 9 01 6 0 01 6 0 0 1 6 0 00 6 0 00 6 0 00 9 0 00 9 0 01 8 0 0 1 8 0 0 0 6 7 00 6 7 51 0 0 0 1 0 1 02 0 0 0 2 0 0 00 7 5 00 7 5 01 1 0 01 2 0 02 2 0 0 2 2 托辊材料的选择和技术要求 2 2 1 托辊外壳材料的选择和技术要求 托辊的外壳通常是用无缝钢管制造的 但在现实条件下 为了节约材料费 降低生产的成本 也可以通过使用有缝钢管 此时 使用无缝钢管对焊缝的要求 往往会比较高 目的是防止刮伤胶带 现在 许多的材料比如p v c 管材 玻璃 钢 橡胶 陶瓷管也有很多用来做托辊的外壳 后面的几种材料其优点是耐腐蚀 不生锈 密度小 承载负荷通常要比钢管低 2 2 2 轴承座的选用和技术要求 轴承座的分类一般有铸铁轴承座 冲压轴承座两种形式 现在针对这两种轴 承座的优缺点进行分析 比较如下 表2 2 铸铁轴承座和冲压轴承座性能及技术要求对比 名称 莲卷 恕盂丢甲7 精度紧固性防水 防尘 铸铁轴承座0 50 6 要求高易脱落一般 冲压轴承座0 0 60 0 0 8 一般牢固良好 从表2 2 中可以看出 冲压轴承座的使用要比铸铁轴承座存在更大的优势 青岛理工大学工程硕士学位论文 因此 铸铁轴承座就会面临即将被淘汰的危险 再者 还有一些特殊托辊在一些 应用场合还必须使用铸铁轴承座 2 2 3 轴承的选用及润滑 目前 在工程实践中 人们主要主要选择使用深沟向心球轴承和圆锥滚子轴 承 圆锥滚子轴承一般会应用在工作环境较为恶劣的环境下 在结构的设计中 轴承通常采用大游隙球轴承 在运行过程中 特别是水平托辊 许多干化润滑脂 存在于滚动体之间而不能自动排出 从而加快了轴承的磨损 使用寿命便大大降 低 为了避免这种现象并增大托辊的承载能力 在设计计算中 采用承载能力大 的圆锥滚子轴承 使润滑脂能够自动排出 通常 我们选择和采用2 0 4 2 0 5 系列滚动轴承 但是随着专用轴承的不断 出现 专用轴承已经得到广泛的应用 于是就可以大大地提高轴承的整体质量水 平 经过多次测试数据表明 即使在非常恶劣的条件下运转 专用轴承的旋转阻 力要低 并且实验寿命也大大增加了 能够达到2 0 4 轴承的1 0 倍以上 这说明 托辊轴承使用专用轴承 不仅可以大大提高轴承的使用寿命 还能提高托辊的整 体质量 3 7 1 轴承是托辊的重要部件之一 其选用是否得当 质量的好坏非常关键 直接 影响着托辊的使用寿命 在胶带机运转中 托辊的转速较高 主要承受径向力 同时也承受一定的轴向力 考虑到托辊的成本和以上说明的特点 通常会选择使 用深沟球轴承 过度磨损是滚动轴承的主要失效形式 而润滑不当 润滑剂品种或成份不合 适是造成过度磨损的关键因素之一 因此 在选择滚动轴承的润滑方式 润滑剂 品种时必须高度重视 从润滑方式看有两种方式 一次性注油润滑 因为这种润滑方式在托辊处于磨损中后期时 其运行阻 力增大较快 轴承的寿命也较短 因而长期运转的托辊不适合这种方式 可注油式润滑 轴承在这种方式下不仅可以一直保持良好的润滑状态 同 时又可以将轴承滚道内杂物等排除 这种方式既提高轴承的使用寿命 又能维持 托辊在运行时阻力恒定 滚动轴承所用润滑剂分为三大类 即润滑油 润滑脂和固体润滑剂 其中润 1 2 青岛理工大学工程硕士学位论文 滑脂的应用最为广泛 考虑到托辊结构的限制以及不同的使用条件 般采用脂 润滑 在煤矿机械中常用的润滑脂通常有三大种类 钙基润滑脂 钠基润滑脂和 锂基润滑脂 3 9 1 2 2 4 密封圈的设计和选择 在轴承系统构造上 轴承的密封结构是影响托辊使用寿命和运转阻力的一个 不可忽视的重要因素 因为密封不好 轴承就易失效 4 0 l 托辊密封结构的性能 好坏 对于托辊的使用寿命影响很大 而密封也是为了防止外部灰尘 粉尘 水 分等侵入轴承 造成轴承失效而破坏正常工作 在通用机械中 轴承的密封结构主要有三种方式 迷宫式密封 该方式运转阻力小 防尘性能好 但防水性能差 密封效果 稍差 同时 迷宫式密封的托辊在低温下工作时 其旋转阻力较常温下成倍增加 因此一定要注意低温地区的使用 接触式密封 与非接触式密封相比较 它的密封效果要理想得多 但是这 红密封方式的运转阻力偏大 一般用于旋转速度不太高 运行阻力不太大的情况 下 组合式密封 这种润滑方式综合了前面两种优点 是一种混合润滑方式 在使用过程中使用较多 2 3 托辊的型号选择 托辊型号的选择与以下因素有关 载荷的大小及特征 输送带的宽度及速度 使用条件 输送机的工作制度 运送物料的性质 预定的轴承寿命 维修制度等 托辊的使用既要保证强度 重量也应越小越好 我们国家使用的托辊 通常是托 辊直径在带宽8 0 0 m m 以下的一般用d 8 9 m m 辊壳 带宽1 0 0 0 r a m 以上的常用 d 1 0 8 m m 的辊壳 通常 选择大直径托辊 一方面能够减小转速 另一方面也延 长托辊的使用寿命 2 4 托辊的加工工艺要求 托辊加工主要包括托辊辊体和托辊轴两部分的工艺要求 1 辊体加工 青岛理工大学工程硕士学位论文 在实践情况下 机床下料 车床平端面 车倒角 车止口等这些都是传统的 加工方法 这些加工方法存在很多的缺点 如两端止口分两次装夹 两次车成 同轴度难以保证 托辊转动的灵活性差 这些都会影响托辊的使用寿命 还有 辊体止口中心难控制 必须人工控制 造成误差较大 容易引起轴向 窜动量偏大或者过小 间隙调整不当 转动就不能灵活控制 比较先进的加工方法由以下三个步骤完成 切管 采用托辊切管机床 该设备是带式输送机托辊钢管切断 两端倒角一 次自动完成的专用设备 镗孔 该操作所应用的机床是钢管双头自动车孔机床 这种机床是自动化专 用设备 它能够加工带式输送机托辊管子两端止口 并能同时加工 同时完成两 端之口的加工 同时国内外铸铁或冲压轴承座的各类型托辊管子止口的加工也能 通过该机床进行加工 其加工的优点是 辊体加工精度高 速度快 完成一次性 装夹 同时加工两端止口 保证同轴度 焊接 在托辊辊体与冲压轴承座之间要通过焊接的方法来完成 在本论文中 使用双头c 0 2 气体保护自动焊机 自动化程度高并能够同时加工 既保证了同 轴度 提高了焊接质量 又减轻了劳动强度 2 托辊轴加工 托辊轴的加工采用双顶尖精车或粗车 然后经过双顶尖磨削 这种加工方式 的好处是 保证了同轴度的要求和装轴承处配合的光洁度要求 2 5 托辊载荷计算 托辊载荷可分为静载荷和动载荷 而对于托辊载荷的计算 工程设计中一般 使用静力学和动力学两种计算方法 静特性计算在传统设计中应用广泛 但随着带式输送机动力学分析方法的发 展 工程技术人员在托辊设计的过程中也越来越注重动特性方面 辊的静载荷计 算主要考虑传送物料和输送带自重对辊产生的正向压力 在胶带弯曲段还应考虑 输送带张力的作用 尤其在托辊的凹凸弧段 对槽型托辊受力分析主要是载荷在 三个托辊上的分配问题 尤其是在凸弧段 目前的设计计算一般都人为中间托辊 受力最大 将物料重的7 0 和输送带重的4 0 应用在计算分析中 但是侧托辊 1 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 受载后两个轴承的受力不等 同时还有比较大的轴向力 4 1 1 托辊的动载荷是托辊实际选型中必须加以考虑的 托辊动载荷是由多方面的 因素产生的 主要有 托辊辊壳偏心转动时产生的动载荷 托辊偏心转动与输送带相互作用而产生的动载荷 输送带及物料运动中对托辊冲击产生的动载荷 输送带横向弯曲振动拍打托辊产生的动载荷 输送带张力变化对过渡段托辊 弯曲段托辊产生的动载荷 高速运行的输送带通过托辊时物料和输送带变形对侧托辊作用力 特别是 物料中含有大块时其冲击力是最大的 目前这方面的研究还很少 转载处托辊受物料下落的冲击动载荷 因此如何正确地计算载荷对于选择 托辊 估算托辊的使用寿命是非常重要的 2 5 1 托辊尺寸和材料 托辊的已知条件如表2 3 和表2 4 所示 表2 3 托辊相关尺寸 名称 代号单位数值 胶带宽度丑m m2 2 0 0 胶带速度 v m s4 3 输送量 q t h a6 0 0 0 托辊直径fm m1 9 3 7 辊长 三 m m8 0 0 上托辊间距 a o m1 o 下托辊间距a u m3 0 每米胶带重量k g m k g m 5 9 4 每米物料重量k g mk g m 3 8 8 表2 4 托辊各结构材料 序号类别规格材质弹性模量泊松比 l 管f1 9 4 4 5q 2 3 5 a 2 0 6 g p ao 2 6 2 轴f3 5 q 2 3 5 a 2 0 6 g p a0 2 6 3 轴承6 3 0 7 成品 4 轴承座 万4 5 q 2 3 5 a 2 0 6 g p a0 2 6 5卡环万36 5 m n 1 5 2 5 2 辊径的选择 托辊辊子的直径与输送机带宽 带速和承载能力有关系 与输送机长度和倾 角都没有关系 1 托辊直径与带宽的关系 托辊辊径与长度应符合 g b t 9 9 0 1 9 9 1 带式输送机托辊基本参数与尺 寸 的规定 如表2 5 所示 表2 5 托辊直径与带宽的关系 m m 带宽 h 一 6 5 08 0 01 0 0 01 2 0 0 1 4 0 01 6 0 0 1 8 0 02 0 0 02 2 0 02 4 0 05 0 d x q x 根据辊子直径和承载能力 托辊辊子分为轻 中 重型三种 全部采用大游 隙轴承 并保证所有辊子的转速不超过6 0 0 r m i n 2 托辊直径与带速的关系 表2 6 表2 6 托辊辊径与转速的关系 在确定带速的情况下 托辊辊子的转速不能太大 在同样寿命情况下 转 速大 使用时间就短 转速小 使用时间就长 但辊子的直径不能太大 辊子直 径过大 整个输送机不配套 初期投资成本就高 在胶带机设计规范中规定 辊 子的转速不能超过6 0 0 r m