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托輥結構優化設計與工藝可靠性研究

發布時間：2013-06-18 07:44:22 人氣：1451

托輥結構優化設計與工藝可靠性研究

摘要：本文從以托輥的力學模型和可靠性理論為基礎，研究了托輥的結構優化設計與大批量生產的工藝可靠

一、引言

帶式輸送機是大規模散料運輸的重要裝備。近年來帶式輸送機的數量及質量持續增長，而作為帶式輸送機主要部件的托輥的重要性日漸提高。國內外對高承載、高速度、高壽命托輥的需求不斷增加。所以，如何在不浪費資源的條件下，提高托輥的性能和使用壽命就成為廣大托輥制造者的神圣使命。

本文從托輥結構的優化設計，托輥加工工藝可靠性的角度來探討與總結如何提高托輥的技術性能，提高托輥的使用壽命。

二、托輥的典型結構

帶式輸送機托輥通常按密封形式可分為兩種結構：即非接觸的迷宮式軸封，如圖—1所示；接觸的多唇式軸封，如圖—2所示。它們的零部件名稱及材質見表1。

三、托輥承載時的受力狀態分析

因托輥有多種安裝形式，所以其受力狀態多有不同。為了簡便明了，這里僅以最常見的水平安裝為例，作靜態分析。

表1 兩種典型托輥零件構成明細表

	非接觸式的迷宮軸封防塵級托輥		接觸式的多唇軸封防水級托輥
序號	零件名稱	材質	零件名稱	材質
1	托輥管體	Q235-A	軸承座	ST-13
2	軸承座	ST-13	大游隙球軸承	組合件
3	內密封環	塑膠	托輥軸	45
4	托輥軸	A3	多唇軸封	柔性高分子材料
5	大游隙球軸承	組合件	擋圈	ST-13
6	迷宮密封動環	尼龍	托輥管體	Q235-A
7	迷宮密封靜環	尼龍
8	彈簧擋圈	65Mn
9	組合密封件1	08F
10	組合密封件2	工程塑料
11	組合密封件3	08F

在一般情況下，托輥的承載力、性能穩定性及壽命取決于軸承的質量及其工作狀態。而軸承的工作狀態又取決于潤滑狀態、裝配質量和軸及軸承座的剛度。其中，托輥軸的受力變形是影響托輥性能與壽命的主要原因。

圖3

為了便于分析，我們將托輥的受力情況簡化為如圖3所示。其中P 位置相當于托輥兩端的軸承位置。從機械設計力學可知,在圖-3所示力的作用下，軸的變形量y與力P和支撐距離L 的關系如下：

其中：E為彈性模量，常數（鋼的彈性模量為209GPa）。

I為軸的慣性矩，即 I=лd⁴/64（d為軸徑）。

ω_Rα為與L/H有關的函數值，對于托輥來講其值一般小于0.05。

將I 及E 代入式①,將其中共有的常數項設為A，并整理，得

從式②可知，軸受力后的變形量y與承載力P、支撐長度L 的3次方成正比，與軸徑的4次方成反比。也就是說，托輥支撐長度L 較小的增加，托輥軸直徑d較小的減少都會使軸端的變形量y大幅增加。而y 的大幅增加將加大軸承的軸線偏斜量（托輥用深溝球軸承的允許偏斜角僅為8′～16′），破壞軸承的使用條件，同時加大托輥的震動，降低使用壽命。從以上的分析可以看出，托輥的承載力取決于軸的長度，特別是支撐長度和軸的直徑。這樣，我們可以得出以下基本結論：

1、加大托輥軸直徑、減小支撐長度可以大幅提高托輥的承載力；

2、在軸徑和軸長相同的情況下，支撐長度越小，承載力越高。

四、托輥結構的優化設計

結構優化設計的目的是：在使用同樣資源的條件下，提高托輥的技術性能和使用壽命，滿足先進輸送機大運量、高速度、高壽命需求。

根據托輥的原理和我們現有制造水平，著重從以下幾方面考慮托輥的結構優化，以求達到上述目標。

1、增強結構剛性，提高支撐效能

l 盡量降低支撐長度，圖-2所示結構的支撐長度L1至少要比圖-1所示結構的支撐長度L減少5㎜以上。

l 適當增加托輥軸直徑，可以明顯加強托輥軸的剛性。由于圖-2采用了1㎜以上的軸肩設計，則軸在同樣受力條件下的變性量可比光軸相應地減小30%以上，而圖-1所示的結構因需安裝彈簧擋圈而必須在軸的兩端切1mm深的槽，更是削弱了軸的剛性，從而降低了托輥的承載能力和使用壽命。

l 在圖-2所示的結構中，在裝入了軸承、多唇式軸封和擋圈后，使用專用設備將軸承座、軸承、軸封和擋圈鉚合在一起，形成了一個整體部件，從而更進一步增強了軸承座的強度與剛性。

2、減少零部件數量，提高可靠性概率

在機械產品方面有有一個共識，即在同類產品中，零部件越少，可靠性越高。零件多，意味著工序多，工序多，意味著出錯的概率大。與圖-2的比較中可以看出，目前國內大多數托輥廠家采用圖-1所示的迷宮式防塵結構，一只托輥的零部件數量多達20件，制造及裝配工序冗長，很難達到較高的產品合格率。而在圖-2所示的結構中，由于事先在專用生產線上將軸承座、軸承、軸封及擋圈組裝為一體（我們稱之為托輥專用軸承組件），所以，該結構的托輥只由4個零部件組成，加工過程極為簡單，產品一次合格率可達到100%。

3、提高制造精度，保證產品質量

高質量的產品需要高精度的零件作保證。現代輸送機要求托輥運行平穩、旋轉阻力低、使用壽命長。為此，必須保證托輥軸、軸承座、軸封及管體具有較高的形狀和位置公差，保證托輥的裝配精度，同時要保證軸承的質量和潤滑脂的質量。特別是托輥的徑向跳動量的增加將直接加大托輥所承受的動載荷，嚴重制約托輥的高速運行的能力。

另外，由于提高了沖壓精度，圖-2結構所示的軸承座軸向深度M1一般要比圖-1結構中的M少10mm以上，可以減少沖壓時的拉延量，提高了工作效率和產品質量。

4、改善軸封性能，解決托輥“呼吸”問題

在正常的情況下，托輥的高壽命取決于軸承的高質量及其良好的運行狀況。為此，保證軸承工作空間的密封性由其重要。由于托輥在工作中存在呼吸問題，即在運行時溫度升高，托輥內的氣體會膨脹逸出；在停運時溫度降低，內部的氣體會收縮，形成負壓。此時，若密封不好，會把外界密封口附近的氣體或液體吸入體內。這樣多次反復，將使內部冷凝水等有害成份逐漸增多，促使潤滑油失效，破壞軸承的工作環境，導致托輥內部腐蝕，降低托輥的壽命。這一癥狀會隨著托輥運轉速度的提高而愈加嚴重。

圖-1所示的迷宮密封，雖然設置了曲折的路徑，但終究不是完全密封的，即使加滿了潤滑脂也會在呼吸作用下形成通路。

圖-2所示的結構，由于采用了多唇式的完全密封結構，托輥內部與外界的通路被阻斷。況且，軸承座底孔和擋圈孔與托輥軸的間隙被控制在較小的范圍內，也可以起到初級的密封作用。另外，在托輥加工完成，經初期運轉，軸承組件內被預先注滿軸承部位的專用潤滑脂有部分被擠入軸承組件與軸配合的各個部位，從而形成了由擋圈、多唇式軸封、軸承座底孔、托輥軸和充滿于各縫隙間的潤滑脂組成的多重密封，從而可以較好地解決由于托輥呼吸帶來的許多問題。這種結構設計的關鍵是要解決好多唇式密封圈的精度與材質的耐磨和穩定性問題。目前英國有一家公司可以較好地解決這一問題，而國內類似的產品還不能滿足要求。

五、提高托輥加工工藝可靠性的有效措施

優秀的設計方案是優質產品的前提，而先進合理的工藝、工裝、設備及監測儀器等是產品批量優秀的保證。托輥生產工藝雖然相對簡單，但在批量較大的情況下，要保證具有很高的一次產出合格率也并非易事，仍需要很好地探究。

為此，在以上產品優化設計的基礎上，探討如何將優秀的設計方案，變成批量整體優秀的產品。根據相關理論和反復實踐，以下幾個方面是行之有效的：

1、減少加工工序，降低累計誤差

托輥生產相對來講，屬于較為粗重的加工行業，其外形尺寸精度多以mm為單位，加之多年來國內絕大部分輸送機帶速較低，運量不大，對托輥的精度要求不高，即使不滿足產品標準的要求也都可以湊合著用，多數加工人員對精度并不敏感。

對此，我們可以將托輥生產分成兩段，即將高精度的核心部件——軸承組件單獨組織專業生產；然后，將組裝成一體的軸承組件作為一個零部件，投入到組裝、焊接工序。這樣，托輥的組裝與焊接將變得非常簡單，控制環節大大減少，有效地降低了不同加工組裝環節的累積誤差。

2、選用直接組裝定位基準，甩掉中間過程誤差

通常的托輥裝配都采用多個零件次序組裝，逐級定位的裝配方式。這樣每次定位產生的誤差必然會逐漸累積，使得最終產品的精度難以控制。

由于有了上述的改進設想，我們就有條件對托輥裝配的定位方式進行重大改進，即設計一種專用的工裝卡具，采用如圖-2所示的管體端面焊接方式，以托輥軸兩端外徑為基準，直接與管體外徑定位焊接，如圖4所示。這樣，只要保證了軸的精度和工裝卡具的精度，那

圖4

么托輥的精度就完全可以得到保證。由于采用了直接定位的方式，就可以甩掉中間環節產生的誤差對最終托輥產品精度的影響，使產品精度易于控制。

其中：1管體外徑定位套，2軸承組件，3托輥軸，4管子，5軸外徑定位壓盤，6主軸。

3、減少人工控制環節，提高工藝穩定性

為了實現托輥生產高效、穩定、便捷的目標，提高各生產環節的自動化程度，減少人工控制環節至關重要。為此，上海高羅輸送裝備有限公司與其它廠家合作，已成功地開發了CO₂氣體保護自動定位雙端焊接機。經多個批次，上萬只托輥的實際檢驗，證明效果顯著，按MT821-1999標準檢測，平均一次產出合格率高達99%，這是其它傳統工藝所無法達到的。

六、結束語

由于托輥結構的優化，工藝可靠性及穩定性的提高，大批生產高承載、高速度、高壽命的優質托輥變得容易起來。隨著這些成果的廣泛應用，必將對我國的托輥行業產生重大影響，為提高我國帶式輸送裝備水平做出貢獻。

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