矿用带式运输机托辊结构优化研究

刘鹏洋

带式输送机在矿山生产中的占有重要地位，对矿山生产的效率产生了直接的影响。带式输送机通过在托辊上水平移动输送带，并通过托辊进行连续旋转来实现物料输送。托辊可以将水平运动转化为旋转运动，而且还需要支撑施加在托辊上的物料的重量，因此托辊的间距需要注意。如果间隙过大，滚筒之间的输送带会出现变形，从而增加了输送带的受力，随着传送带速度的增加，受力也会不断增加，严重影响传送带的使用寿命。如果托辊间距过小，则会增加安装成本。因此需要注意托辊间距，并进行合理设计。研究优化托辊设计可以有效提高矿山生产设备的使用寿命，增加矿山生产的经济效益。

1 托辊的种类

1.1 托辊的种类

1.1.1 托辊的材料

普通托辊的轴、轴承和滚筒通常由钢制成，但它们的耐腐蚀性和耐磨性等性能较差。为了达到降低托辊质量、提高性能、延长使用寿命的目的，如陶瓷托辊、橡胶托辊、塑料托辊、聚合物基复合支撑托辊等非金属托辊被不断研发。传统材料已不符合现阶段工业发展的需求，因此，当前的发展趋势是对聚合物基复合材料的研究，聚合物基复合滚轮已经有很多专利，但我国在该领域的技术还处于起步阶段。因此，性能优良、价格合理、应用广泛的聚合物基复合材料是未来研究的目标。

1.1.2 滚筒的种类

滚轮主要分为槽滚轮组、回程滚轮组、防偏滚轮组、缓冲滚轮组和特殊滚轮组。在设计过程中需要参照相关标准，从而设计出更加合理的结构，以提高工作效率。目前一些特殊工况的辊筒已经被研发，如深槽角辊、表面喷胶辊等。托辊是需要长时间不间断运行的设备，因此，使用寿命长、结构合理、耐腐蚀、抗冲击等良好性能是目前托辊设计所追求的目标。

1.1.3 托辊的型式

（1） 槽形托辊。托辊成组安装在运输装置上。上辊组可以是单个辊组和两个或三个倾斜辊组的平行辊组。中间辊水平布置，侧辊槽角度一般为35°和45°。最常用的输送机是向前倾斜度最小的35°槽形托辊。有三种选择：前倾托辊、部分前倾托辊、无前倾托辊。最小凹槽可将框架高度降低，减小等效的托辊组间距，可用于输送带刚度小、空间小的场合。

（2）缓冲托辊。缓冲托辊安装在输送机的接收部分，以保护输送带。保护装置的前体与最低标准相同，有两个35°和45°的槽角。如果选择以面为中心的传送带，则只能使用35°倾斜缓冲托辊。如果选择45°槽形缓冲托辊，可在不接触材料的导槽部位使用。

（3）调心托辊。调心托辊用于自动纠正输送带在运行过程中的过度偏差，防止输送带扭曲，确保输送带稳定运行。需要在传送带上安装调心托辊，通常每十组配备一个调心托辊。

（4）回程托辊。标准回位托辊类型为平行下辊，也是最常用的下托辊。大型运输机也可以使用两个槽。两个托辊呈V形布置，以防止偏差并增加承载能力。大多数方法是每七组平行下托辊设置三组V型托辊。

（5）过渡托辊。对于大容量、长距离、张力大和关键载体，通常需要设置过渡段，即过渡辊所在的位置。

（6）螺旋自清扫托辊。螺旋托辊用于清洁连接到传送带表面的材料。它的功能与清扫器相同。通常，靠近输送机头部滚筒的下部组设计为螺旋托辊。

1.2 托辊的结构

带式输送机托辊主要由滚筒、轴承、轴承座、密封结构等组成。带式输送机的工作需要通过托辊运行时产生的摩擦力，带动托辊装置转动，实现物料的转移。因此，为广泛的应用设计高质量的滚轮，需要在滚轮部件的设计和材料选择等方面做出创新。托辊结构的优化设计可以实现密封结构和轴承两方面的创新。

1.2.1 密封结构

托辊密封结构的创新可以大大提高滚筒的防尘防水性能，降低滚筒的运行阻力。目前一种具有磁性液体密封的托辊被有效应用，大大提高了工作时的液体端面密封和液体离心密封，减少了运行阻力，并提升了密封效果。

1.2.2 轴承

轴承是托辊的主要部件之一，对托辊的性能具有很大的影响。目前深沟向心球轴承和圆锥滚子轴承是较为常见的轴承，两种轴承各有优缺点。例如，上海运输机械研究所研发了一种可以在极其恶劣的环境中运行，使用寿命长、滚动阻力低的特种轴承。同时，新材料轴承不需要密封，具有自润滑性能，而且制造成本非常低，耐磨性和耐高温性能非常好，使用寿命长，可以大规模生产制造。另外，对于英国开发了大游隙大滚珠特种深沟轴承，德国开发了凹槽式大游隙轴承，这两种轴承的内径为7mm～10mm，轴向游隙可达100mm～0mm，这两种轴承即使在恶劣的环境下也具有良好的润滑性能，使用寿命也非常，是普通滑动轴承的三倍。

2 影响托辊性能的主要因素

我国滚轮设计精度低，制造技术落后，并且检验检测的方法存在缺陷，制造标准也不严格，最终导致落后于发达国家。目前对托辊结构和材料的改进研究较多，对托辊微观损伤机理的理论分析尚缺乏，如现场噪声、频率、尺寸稳定性、温度等因素对托辊的影响托辊质量，影响性能，影响尚不明确，改进这方面的技术可能为优化托辊设计和技术完善提供更成熟的理论基础。对带式输送机托辊的研究主要集中在托辊的类型、结构和性能方面，但对性能试验的研究相对较少。

2.1 托辊轴承影响托辊性能

目前，我国生产的托辊在不同的工作环境下选用不同的轴承。在通常情况下，采用的是大游隙球轴承，而在恶劣的工作条件下通常使用深沟向心球轴承和圆锥滚子轴承。机器运行时，内部干油脂停留在滚动元件之间，不会自动排出。滚动阻力增加，过度磨损会缩短机器的寿命。因此，在选择轴承时，尽可能多地使用特殊轴承，这可以显著减少磨损，增加轴承的使用寿命，并增加托辊的使用寿命。

2.2 托辊的密封结构和润滑方式影响托辊性能

密封结构和润滑轴承方式是影响托辊性能的另一个重要因素。密封轴承模式是决定托辊成败的重要因素。轴承密封件的制造有三种密封方法：迷宫密封、接触密封和组合密封。其中，迷宫密封的缺点是座圈阻力低，防尘性能好，防水性能较差，密封效果差。此外，在低温环境下工作时，密封辊阻力呈指数增长，影响机器的正常运行，降低使用寿命。接触式密封具有良好的密封效果，但存在循环阻力大的缺点。组合式密封结合了前两点优于密封的优点，密封效果和使用寿命大大提高，是延长托辊使用寿命的有效手段。

2.3 输送带垂直度影响托辊间距

托辊是直接作用于输送带，如果输送带过于垂直，则传送带的阻力将在运行期间增加，能耗也将增加。随着输送带磨损的增加，会导致使用寿命大大缩短。如果输送带的垂直度太小，应增加托辊的数量，以增加输送带的张力。因此，输送带必须坚固，对电压装置的要求自然很高，造成了更多的投资和一定的浪费。因此，张力会影响托辊之间的距离，应特别注意。由于工作过程中托辊的偏心，托辊成为激励输送带的振动源，导致输送带的强迫振动。激励频率受慢运动速度的影响。为避免传送带发生共振，两条传送带应错开。此外，托辊距离不能盲目按理想情况设计，特殊运输材料的距离要求也不同。运输散装材料时，当材料重量较大时，辊间距离不得超过材料长度的1/2。特殊质量材料和低密度材料所需的距离也不同。因此，有必要根据具体情况进一步分析辊间距离，然后确定合适的距离。

2.4 材料特性对托辊间距的影响

在实际应用中，需要根据被输送物体的特性来分析托辊的间距。一般来说，物料可分为结块和散粒两种，由于结块物料的质量与输送带的宽度有一定的关系，如果质量符合设计要求且数量超过25，则间距控制在进料长度的1/2以内。随着密度的增加，托辊的间距会逐渐减小。另外，托辊的间距与输送带的线密度成相反的比例，输送带的宽度越大，托辊间距离越小。在输送过程中，张力始终在不断变化，因此不能作为主要因素分析托辊间距。

3 托辊间距的合理配置原则

3.1 力的正确计算

在计算托辊受力时，力的计算比较复杂和困难，因此必须单独计算，并使用正确的公式。首先要计算的是皮带架的强度。在这部分计算中，首先计算滚动支路的阻力，然后计算回流支路的道路强度。其次，为了计算非活动构件的动荷载，也按相反顺序进行计算，先计算承重支管，然后计算空支管。最后，下垂条件的计算仍然按照上述方法进行。计算需要清晰的思路，不能出现混淆，保证数据的精确，正确的单位标签和非常熟练的各种系数。

3.2 严格进行数理分析

托辊之间的距离必须满足以下两个标准：一个是降低皮带架的功率，另一个是最大限度地降低托辊的成本。必须对数理进行分析，以满足上述两个标准。在分析托辊间距变化对运输机强度和托辊承载能力的影响时，从机组的最佳值中选择理想工况，应根据设计计算条件进行解释。首先，通过分析传动条件之间的怠速净化选择来计算每个资源点的电压。通常，对于角度相对较小且对传动条件要求较高的皮带架，相关特征点电压的计算应根据传输条件确定。当托辊距离选择达到该值时，带式输送机每个特征点处的电压由偏转状态确定，不受运输条件的影响。在数理分析的过程中，必须谨慎，仔细分析各种可能的损失，并选择最佳的使用条件。

3.3 明确托辊间距选择原则

在选择合理的托辊间距时，应充分考虑上述分析，权衡利弊，并应考虑以下原则。第一，托辊之间的最大距离与皮带架的长度成正比。因此，改变载体的长度将影响滚筒之间的距离。因此，在设计过程中应考虑这些条件，避免设计错误。第二，如果输送机容量发生变化，托辊之间的距离也会相应变化。第三，当输送机速度改变时，托辊间距最大值也将变化。第四，如果托辊齿轮旋转部分的质量发生变化，则间距也会发生变化。第五，即使运输机倾斜角度发生变化，怠速之间的距离也会不断变化。

4 现有托辊存在的技术不足

托辊主要由托辊筒轴承座轴承和密封件组成。滚筒的密封结构非常复杂，迷宫式密封结构，其作用是防止环境中的尘土和水进入滚动轴承，使托辊在运行过程中也能保证稳定的密封，防止异物进入托辊内部，从而有效保护托辊轴承。但在低温环境下，密封圈和转轴的连接更加紧密，因为橡胶密封圈在低温条件下会出现收缩，其收缩量要比金属轴的收缩量大，对滚筒的运行产生了阻力，当带式输送机在启动或运行时，会消耗大量功率。在矿山的长距离带式输送机上，需要使用了大量的托辊，这时的托辊运行阻力造成的电力消耗对输送机的正常运行产生了很大的影响。

5 解决方案

在生产线设备不能满足生产要求，采购专用辊筒生产线设备迫在眉睫。目前的托辊制造工艺是将托辊管切割，加工管端，将管子和轴承座焊接成管板，最后安装轴承、轴、密封件、挡圈和端盖。其中，管段的加工是关键工序，管段的加工受管段的加工设备、管材的原材料、操作者的责任等因素的影响。新工艺方法不受上述因素影响，不影响滚子外圆径向跳动的品质因数。托辊管与轴承座的焊接方法有3种。①管与轴承座间隙配合装配后组焊成管座。②将轴承座压紧组装好后，再组装，焊接到管座上。③管与轴承座过盈配合，组装后焊接成管板。

轴承座与管端面压紧方式焊接方式有三种：第一种焊接轴承座和管端面的方法是管加工管挡，这也是我们目前使用的管加工方法，切割时管尖没有辅助支撑。在切割过程中，管子的前端下垂，切割管子后，管子的横截面出现椭圆误差，所以管子的后端，即管子的横截面，变成马蹄形，不垂直于管的轴线。接下来的工序中，管挡是通过管端面和外圆定位的，管子是薄壁件，外圆是椭圆形，管挡加工后管子的厚度会不均匀挡块，俗称壁厚差。在管子与轴承座的配合设计中，周边也有间隙，所以焊缝和间隙的大小，影响滚子外圆的径向跳动性能指标，管子两端的轴承座不同后，取决于操作者的技能水平和责任由焊接和装配品质因数，滚子外圆径向跳动超差。

第二种方法是在专用的双端焊设备上直接焊接的方法，滚子管组装时不加工管挡，滚子轴、轴承座、轴承和管子在焊接前组装在一起，放在管子上。半成品滚轮专用的双端焊接设备支架，两端焊接，机器专用的可更换“双对位夹具”工具可以保证轴承座和管子的压力和同心度。轴承座与管端面之间的压力带动轴承座与管子同时旋转进行焊接。可根据不同的管径更换相应的夹具，更换后需要调整夹具系统以满足要求，工作方式为：带有内锥面的组合定位装置被加长。管子放在外面，保证管子的外径与辊轴同心。目的是保证滚管外径与滚轴同心。然后将横截面呈锯齿状的双键定位夹具内套扩张，在管端拧紧轴承座，双键定位夹具外套收缩露出焊接空间，内将双键定位夹具的套筒压在水晶胎上，工具同时旋转轴承座和内胎，开始焊接。由于双端焊接设备结构复杂，且第二种方法的双键定位夹具精度要求高，需要根据不同管径更换夹具，更换后进行调整。但这种方式已经过时，因为需要消耗大量劳动力，并且需要操作员具备一定的技能。

第三种方法是不对管端进行加工，管子和轴承座采用过盈配合，过盈量未知，但可以通过具体的试验过程收集过盈量数据，压入轴承座即可。内部冷挤压。具体测试程序如下：从108mm×465mm管子上取管子倒角，根据资料，冷压需要管段内径倒角30个，30%的管道末端悬浮处理设备倒角。

6 托辊优化设计

托辊两端加装固定轮盖，使轮盖和轮轴端面平整，用较小的力配合固定，不随轮管旋转。此外，滚轮盖与管体的连接部分设有密封圈，使滚轮盖将轴与外界环境隔离，有效防止外界灰尘、水等有害物质进入轴承。可以根据经验数据得到带式输送机的辊距，建立纵向相同的辊距。采用这种方法可以大大降低设计和加工的难度，但在实际应用中，仍然无法根据经验数据获得所有辊隙。因此，需要结合带式输送机的实际工况，优化托辊间距。滚筒之间的距离与输送带的线密度成反比，因此输送带的宽度越大，距离应选择越小。同时，考虑到最小张力始终处于变化状态，不能作为影响滚轮间距的主要因素。

托辊轴承座和管子在普通辊压机上通过冷压进行压制，设备结构简单。由于轴承座压装在管内，在轴承座压装过程中可以修正滚子管的圆度，使轴承座在焊接过程中不变形，提高了托辊制造工艺，使制造过程简单可靠。同时，将管端挡块加工设备改为管段倒角设备，降低了对设备性能的要求和精度。管子轴承座冷挤压法从根本上解决了现有方法难以保证滚子滚动阻力和径向跳动的问题。托辊全自动生产线采用无端托辊冷挤压工艺，取消托辊停止工序，必要时重新编辑新结构托辊制造工艺代码，在保证新结构托辊制造工艺的同时，自动化生产线末端托辊组装成成品后，是两个额外的过程，即在线自动检测各托辊滚动阻力品质因数，在线自动检测各托辊外圆径向跳动品质因数，并保存打印检测数据的功能。

7 优化后托辊的优点分析

7.1 设备成本造价低

优化的防偏托辊可在一般机修厂自制，防尘罩、定位环、辊轮架、迷宫盘所用的滚架均可采用原辊轮拆下的旧件。主轴使用32mm圆钢，辊皮使用6寸管，防偏喷嘴用ZG35铸件，定位套用1寸油管，轴承盖和塞盖分别用钢板制成，壁厚分别为12mm和30mm。单价200元左右，大约是外包价的四分之一。整条皮带使用1300个防偏转轮，一次可节省77.4万元。

7.2 设备寿命长

改进后的防偏托辊壁厚是原来的两倍，防偏喷嘴采用耐磨ZG35铸造，实践证明，使用寿命是原来的两倍。

7.3 方便的设备维护

改进的防偏转辊易于维修。零件损坏后，一般机修店可以自行修理。尤其是滚压、锭子、防偏喷头可自行加工维修，方便快捷，为生产节约更多时间。

8 结语

新的结构设计提高了托辊轴承与环境的阻隔，也不再需要迷宫式密封结构，减少了带式输送机启动时的阻力，降低了带式输送机托辊的运行和维护成本。对上述方案进行改进后，滚筒相关带式输送机技术已广泛应用于矿产企业，大大延长了运行时间，有效降低了带式输送机的运行成本，提高了矿山生产效率，提高了带式输送机的性能，提高了其经济性。改进后的带式输送机托辊使用寿命大大增加，停机和维修时间减少，很受现场工作者的欢迎。