皮带输送机托辊的选择及设计分析

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      托辊是影响皮带输送机使用效果的关键部件之一，约占整机重量的30%～40%，占整机价格的25%～30%。在皮带输送机中，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。在皮带输送机的设计中，托辊的选择和选用数量对于皮带输送机的正常使用、稳定运行、维护费用、功率消耗、整机价格有重要影响。
      目前，用户在输送机托辊的设计上普遍存在两个问题：
      (1)当前市场上可供选择的托辊的种类繁多，性能差异很大，从寿命上看有的托辊运转几天甚至几个小时就报废，而有的可正常运转十几年，当然其价格差别也比较大，这给用户的选择带来困难；
      (2)如何合理布置托辊，设计恰当的托辊间距，以减少托辊的使用数量，降低整机价格，减少投资、营运及维护费用，提高经济效益。
      本文针对这些问题结合本公司的托辊生产设计经验，概略论述托辊的影响因素和选择托辊应考虑的主要问题。讨论如何合理确定托辊间距，并结合实例进行了分析。
      1、影响托辊性能的因素
      随着制造工艺水平的不断提高和托辊的规模化生产，托辊的加工精度已不是影响托辊使用寿命的主要因素。经调研分析发现托辊轴承的使用寿命才是影响托辊寿命的主要因素。
      轴承的寿命主要取决于所承载的荷载、轴承的质量及润滑状况。在这三个因素中轴承的润滑状况是影响轴承使用寿命的主要原因。托辊一般运行在潮湿多尘的恶劣环境中，在高速运行的情况下，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，随着温度的升高润滑脂出现汽化现象。当托辊停止运行后，随着温度降低轴承密封腔内气压下降，从而产生吸气过程。伴随吸气过程，大量的粉尘颗粒进入轴承密封腔内导致润滑脂的污染和干化，从而加快轴承的磨损。同时，由于润滑脂随汽化现象不断发生而逐渐减少到一定程度后，轴承将在干摩擦状态下运行，这势必加剧轴承的磨损，大大缩短托辊的使用寿命。
      (1)托辊轴承的选择
      早期通常采用204、205系列滚动轴承。随着专用轴承的不断出现，现在一般倾向于使用专用轴承，这样可以大大地提高轴承的整体质量。
      (2)托辊的密封结构与润滑方式
      轴承密封结构和润滑方式也是影响托辊使用寿命和运转阻力的重要因素。轴承的密封结构主要有三种形式：
      ①迷宫式密封。这种密封方式运转阻力小，防尘性能好，但是防水性能差，密封效果稍差，托辊在低温下工作时，其旋转阻力较常温下成倍增加，低温地区使用时要注意；
      ②接触式密封。密封效果较非接触式好，但是运转阻力偏大；
      ③组合式密封是结合前两种优点的一种混合密封方式。从润滑方式看有两种方式：
      A、一次性注油润滑不适合长期运转的托辊，当托辊处于后期磨损时，其运行阻力增大较快，同时轴承的寿命也较短；
      B、可注油式润滑方式可以保持轴承处于良好的润滑状态，将轴承滚道内的污物排除，提高轴承的使用寿命，托辊运行阻力基本维持恒定。
      2、托辊的选择
      (1)托辊载荷的计算
      托辊载荷可分为静载荷和动载荷，工程设计中一般使用静力学和动力学两种计算方法。传统的设计中比较注重静特性计算，随着皮带输送机动力学分析的发展，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的考虑。
      托辊的静载荷计算主要考虑传送物料和输送带自重对托辊产生的正向压力，在皮带弯曲段还应考虑输送带张力的作用，特别是在凹凸弧段。槽型托辊受力分析主要是载荷在3个托辊上的分配问题，尤其是在凸弧段，目前多数计算都把中间托辊看作是受力最大的，按物料重的70%和输送带重的40%计算，但是侧托辊受载后两个轴承的受力不等，同时还有比较大的轴向力。
      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：
      ①托辊辊壳偏心转动时产生的动载荷；
      ②托辊偏心转动与输送带相互作用而产生的动载荷；
      ③输送带及物料运动时对托辊冲击产生的动载荷；
      ④输送带横向弯曲振动拍打托辊产生的动载荷；
      ⑤输送带张力变化对过渡段托辊、弯曲段托辊产生的动载荷；
      ⑥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产生作用力，特别是物料中含有大块时其冲击力最大，目前这方面的研究还很少；
      ⑦转载处托辊受物料下落的冲击动载荷。
      正确地计算这些载荷对于选择托辊、估算托辊的使用寿命是非常重要的。
      (2)托辊的加工工艺
      托辊的加工精度主要指外壳及托辊两端内孔的同心度以及各零件轴向尺寸的加工精度。若同心度太差，会造成滚动轴承咬死、增加阻力，降低使用寿命；若零件的轴向尺寸误差太大，会形成较大的轴向间隙，导致轴向窜动，破坏润滑和密封；若安装质量不好，将发生跑偏、咬卡、加剧磨损等，大大降低托辊使用寿命。
      托辊制造工艺会影响托辊动载荷，产生动载的基本原因是托辊外壳壁厚不等和外壳径向跳动引起的质量不平衡。
      要保证托辊的加工和装配质量，关键是找一家具备雄厚的技术力量、完善的技术装备、科学的管理和良好的服务意识的托辊制造商，该生产商应能为用户提供从设计计算、托辊选型、经济技术分析到整机设计的完整的技术服务。
      3、托辊间距的计算
      目前，皮带输送机托辊间距通常根据经验数据确定，沿输送机长度，采用统一的托辊间距。这虽然简化了设计和制造工艺，但在实际运行中，用现有的经验数据不能确定所有的托辊间距，有的还不能保证皮带输送机的正常运行。为此有必要根据皮带输送机实际运行工况进行托辊间距设计。
      托辊作为皮带输送机的重要部件，其设计性能的好坏直接影响到输送机的整体性能。目前在托辊的设计上主要采用定性分析和定量计算相结合的办法，对托辊的静特性计算已经比较成熟，对动特性的计算还有待进一步完善；结合输送机的动态设计方法，综合考虑加工、安装、拆卸和互换性等方面的因素，参考有关设计手册和资料给出的经验数据，再根据皮带输送机http://www.yuyin.sh.cn实际运行进行模拟，确定合理的承载托辊间距。