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托辊结构优化设计与工艺可靠性研究

发布时间：2013-06-18 07:44:22 人气：645

托辊结构优化设计与工艺可靠性研究

摘要：本文从以托辊的力学模型和可靠性理论为基础，研究了托辊的结构优化设计与大批量生产的工艺可靠

一、引言

带式输送机是大规模散料运输的重要装备。近年来带式输送机的数量及质量持续增长，而作为带式输送机主要部件的托辊的重要性日渐提高。国内外对高承载、高速度、高寿命托辊的需求不断增加。所以，如何在不浪费资源的条件下，提高托辊的性能和使用寿命就成为广大托辊制造者的神圣使命。

本文从托辊结构的优化设计，托辊加工工艺可靠性的角度来探讨与总结如何提高托辊的技术性能，提高托辊的使用寿命。

二、托辊的典型结构

带式输送机托辊通常按密封形式可分为两种结构：即非接触的迷宫式轴封，如图—1所示；接触的多唇式轴封，如图—2所示。它们的零部件名称及材质见表1。

三、托辊承载时的受力状态分析

因托辊有多种安装形式，所以其受力状态多有不同。为了简便明了，这里仅以最常见的水平安装为例，作静态分析。

表1 两种典型托辊零件构成明细表

	非接触式的迷宫轴封防尘级托辊		接触式的多唇轴封防水级托辊
序号	零件名称	材质	零件名称	材质
1	托辊管体	Q235-A	轴承座	ST-13
2	轴承座	ST-13	大游隙球轴承	组合件
3	内密封环	塑胶	托辊轴	45
4	托辊轴	A3	多唇轴封	柔性高分子材料
5	大游隙球轴承	组合件	挡圈	ST-13
6	迷宫密封动环	尼龙	托辊管体	Q235-A
7	迷宫密封静环	尼龙
8	弹簧挡圈	65Mn
9	组合密封件1	08F
10	组合密封件2	工程塑料
11	组合密封件3	08F

在一般情况下，托辊的承载力、性能稳定性及寿命取决于轴承的质量及其工作状态。而轴承的工作状态又取决于润滑状态、装配质量和轴及轴承座的刚度。其中，托辊轴的受力变形是影响托辊性能与寿命的主要原因。

图3

为了便于分析，我们将托辊的受力情况简化为如图3所示。其中P 位置相当于托辊两端的轴承位置。从机械设计力学可知,在图-3所示力的作用下，轴的变形量y与力P和支撑距离L 的关系如下：

其中：E为弹性模量，常数（钢的弹性模量为209GPa）。

I为轴的惯性矩，即 I=лd⁴/64（d为轴径）。

ω_Rα为与L/H有关的函数值，对于托辊来讲其值一般小于0.05。

将I 及E 代入式①,将其中共有的常数项设为A，并整理，得

从式②可知，轴受力后的变形量y与承载力P、支撑长度L 的3次方成正比，与轴径的4次方成反比。也就是说，托辊支撑长度L 较小的增加，托辊轴直径d较小的减少都会使轴端的变形量y大幅增加。而y 的大幅增加将加大轴承的轴线偏斜量（托辊用深沟球轴承的允许偏斜角仅为8′～16′），破坏轴承的使用条件，同时加大托辊的震动，降低使用寿命。从以上的分析可以看出，托辊的承载力取决于轴的长度，特别是支撑长度和轴的直径。这样，我们可以得出以下基本结论：

1、加大托辊轴直径、减小支撑长度可以大幅提高托辊的承载力；

2、在轴径和轴长相同的情况下，支撑长度越小，承载力越高。

四、托辊结构的优化设计

结构优化设计的目的是：在使用同样资源的条件下，提高托辊的技术性能和使用寿命，满足先进输送机大运量、高速度、高寿命需求。

根据托辊的原理和我们现有制造水平，着重从以下几方面考虑托辊的结构优化，以求达到上述目标。

1、增强结构刚性，提高支撑效能

l 尽量降低支撑长度，图-2所示结构的支撑长度L1至少要比图-1所示结构的支撑长度L减少5㎜以上。

l 适当增加托辊轴直径，可以明显加强托辊轴的刚性。由于图-2采用了1㎜以上的轴肩设计，则轴在同样受力条件下的变性量可比光轴相应地减小30%以上，而图-1所示的结构因需安装弹簧挡圈而必须在轴的两端切1mm深的槽，更是削弱了轴的刚性，从而降低了托辊的承载能力和使用寿命。

l 在图-2所示的结构中，在装入了轴承、多唇式轴封和挡圈后，使用专用设备将轴承座、轴承、轴封和挡圈铆合在一起，形成了一个整体部件，从而更进一步增强了轴承座的强度与刚性。

2、减少零部件数量，提高可靠性概率

在机械产品方面有有一个共识，即在同类产品中，零部件越少，可靠性越高。零件多，意味着工序多，工序多，意味着出错的概率大。与图-2的比较中可以看出，目前国内大多数托辊厂家采用图-1所示的迷宫式防尘结构，一只托辊的零部件数量多达20件，制造及装配工序冗长，很难达到较高的产品合格率。而在图-2所示的结构中，由于事先在专用生产线上将轴承座、轴承、轴封及挡圈组装为一体（我们称之为托辊专用轴承组件），所以，该结构的托辊只由4个零部件组成，加工过程极为简单，产品一次合格率可达到100%。

3、提高制造精度，保证产品质量

高质量的产品需要高精度的零件作保证。现代输送机要求托辊运行平稳、旋转阻力低、使用寿命长。为此，必须保证托辊轴、轴承座、轴封及管体具有较高的形状和位置公差，保证托辊的装配精度，同时要保证轴承的质量和润滑脂的质量。特别是托辊的径向跳动量的增加将直接加大托辊所承受的动载荷，严重制约托辊的高速运行的能力。

另外，由于提高了冲压精度，图-2结构所示的轴承座轴向深度M1一般要比图-1结构中的M少10mm以上，可以减少冲压时的拉延量，提高了工作效率和产品质量。

4、改善轴封性能，解决托辊“呼吸”问题

在正常的情况下，托辊的高寿命取决于轴承的高质量及其良好的运行状况。为此，保证轴承工作空间的密封性由其重要。由于托辊在工作中存在呼吸问题，即在运行时温度升高，托辊内的气体会膨胀逸出；在停运时温度降低，内部的气体会收缩，形成负压。此时，若密封不好，会把外界密封口附近的气体或液体吸入体内。这样多次反复，将使内部冷凝水等有害成份逐渐增多，促使润滑油失效，破坏轴承的工作环境，导致托辊内部腐蚀，降低托辊的寿命。这一症状会随着托辊运转速度的提高而愈加严重。

图-1所示的迷宫密封，虽然设置了曲折的路径，但终究不是完全密封的，即使加满了润滑脂也会在呼吸作用下形成通路。

图-2所示的结构，由于采用了多唇式的完全密封结构，托辊内部与外界的通路被阻断。况且，轴承座底孔和挡圈孔与托辊轴的间隙被控制在较小的范围内，也可以起到初级的密封作用。另外，在托辊加工完成，经初期运转，轴承组件内被预先注满轴承部位的专用润滑脂有部分被挤入轴承组件与轴配合的各个部位，从而形成了由挡圈、多唇式轴封、轴承座底孔、托辊轴和充满于各缝隙间的润滑脂组成的多重密封，从而可以较好地解决由于托辊呼吸带来的许多问题。这种结构设计的关键是要解决好多唇式密封圈的精度与材质的耐磨和稳定性问题。目前英国有一家公司可以较好地解决这一问题，而国内类似的产品还不能满足要求。

五、提高托辊加工工艺可靠性的有效措施

优秀的设计方案是优质产品的前提，而先进合理的工艺、工装、设备及监测仪器等是产品批量优秀的保证。托辊生产工艺虽然相对简单，但在批量较大的情况下，要保证具有很高的一次产出合格率也并非易事，仍需要很好地探究。

为此，在以上产品优化设计的基础上，探讨如何将优秀的设计方案，变成批量整体优秀的产品。根据相关理论和反复实践，以下几个方面是行之有效的：

1、减少加工工序，降低累计误差

托辊生产相对来讲，属于较为粗重的加工行业，其外形尺寸精度多以mm为单位，加之多年来国内绝大部分输送机带速较低，运量不大，对托辊的精度要求不高，即使不满足产品标准的要求也都可以凑合着用，多数加工人员对精度并不敏感。

对此，我们可以将托辊生产分成两段，即将高精度的核心部件——轴承组件单独组织专业生产；然后，将组装成一体的轴承组件作为一个零部件，投入到组装、焊接工序。这样，托辊的组装与焊接将变得非常简单，控制环节大大减少，有效地降低了不同加工组装环节的累积误差。

2、选用直接组装定位基准，甩掉中间过程误差

通常的托辊装配都采用多个零件次序组装，逐级定位的装配方式。这样每次定位产生的误差必然会逐渐累积，使得最终产品的精度难以控制。

由于有了上述的改进设想，我们就有条件对托辊装配的定位方式进行重大改进，即设计一种专用的工装卡具，采用如图-2所示的管体端面焊接方式，以托辊轴两端外径为基准，直接与管体外径定位焊接，如图4所示。这样，只要保证了轴的精度和工装卡具的精度，那

图4

么托辊的精度就完全可以得到保证。由于采用了直接定位的方式，就可以甩掉中间环节产生的误差对最终托辊产品精度的影响，使产品精度易于控制。

其中：1管体外径定位套，2轴承组件，3托辊轴，4管子，5轴外径定位压盘，6主轴。

3、减少人工控制环节，提高工艺稳定性

为了实现托辊生产高效、稳定、便捷的目标，提高各生产环节的自动化程度，减少人工控制环节至关重要。为此，上海高罗输送装备有限公司与其它厂家合作，已成功地开发了CO₂气体保护自动定位双端焊接机。经多个批次，上万只托辊的实际检验，证明效果显著，按MT821-1999标准检测，平均一次产出合格率高达99%，这是其它传统工艺所无法达到的。

六、结束语

由于托辊结构的优化，工艺可靠性及稳定性的提高，大批生产高承载、高速度、高寿命的优质托辊变得容易起来。随着这些成果的广泛应用，必将对我国的托辊行业产生重大影响，为提高我国带式输送装备水平做出贡献。

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托辊结构优化设计与工艺可靠性研究

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