摘 要：本文從以托輥的力學(xué)模型和可靠性理論為基礎(chǔ)，研究了托輥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與大批量生產(chǎn)的工藝可靠

一、引言

帶式輸送機(jī)是大規(guī)模散料運(yùn)輸?shù)闹匾b備。近年來(lái)帶式輸送機(jī)的數(shù)量及質(zhì)量持續(xù)增長(zhǎng)，而作為帶式輸送機(jī)主要部件的托輥的重要性日漸提高。國(guó)內(nèi)外對(duì)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(fèi)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，托輥加工工藝可靠性的角度來(lái)探討與總結(jié)如何提高托輥的技術(shù)性能，提高托輥的使用壽命。

二、托輥的典型結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)托輥通常按密封形式可分為兩種結(jié)構(gòu)：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(zhì)見(jiàn)表1。

三、托輥承載時(shí)的受力狀態(tài)分析

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

 

表1 兩種典型托輥零件構(gòu)成明細(xì)表

 

在一般情況下，托輥的承載力、性能穩(wěn)定性及壽命取決于軸承的質(zhì)量及其工作狀態(tài)。而軸承的工作狀態(tài)又取決于潤(rùn)滑狀態(tài)、裝配質(zhì)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(jiǎn)化為如圖3所示。其中P 位置相當(dāng)于托輥兩端的軸承位置。從機(jī)械設(shè)計(jì)力學(xué)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(guān)系如下：

      

 其中：E為彈性模量，常數(shù)（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(guān)的函數(shù)值，對(duì)于托輥來(lái)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(shù)項(xiàng)設(shè)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(zhǎng)度L 的3次方成正比，與軸徑的4次方成反比。也就是說(shuō)，托輥支撐長(zhǎng)度L 較小的增加，托輥軸直徑d較小的減少都會(huì)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(shí)加大托輥的震動(dòng)，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(zhǎng)度，特別是支撐長(zhǎng)度和軸的直徑。這樣，我們可以得出以下基本結(jié)論：

1、 加大托輥軸直徑、減小支撐長(zhǎng)度可以大幅提高托輥的承載力；

2、 在軸徑和軸長(zhǎng)相同的情況下，支撐長(zhǎng)度越小，承載力越高。

四、托輥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是：在使用同樣資源的條件下，提高托輥的技術(shù)性能和使用壽命，滿足先進(jìn)輸送機(jī)大運(yùn)量、高速度、高壽命需求。

根據(jù)托輥的原理和我們現(xiàn)有制造水平，著重從以下幾方面考慮托輥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以求達(dá)到上述目標(biāo)。

1、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛性，提高支撐效能

l         盡量降低支撐長(zhǎng)度，圖-2所示結(jié)構(gòu)的支撐長(zhǎng)度L1至少要比圖-1所示結(jié)構(gòu)的支撐長(zhǎng)度L減少5㎜以上。

l         適當(dāng)增加托輥軸直徑，可以明顯加強(qiáng)托輥軸的剛性。由于圖-2采用了1㎜以上的軸肩設(shè)計(jì)，則軸在同樣受力條件下的變性量可比光軸相應(yīng)地減小30%以上，而圖-1所示的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中，在裝入了軸承、多唇式軸封和擋圈后，使用專用設(shè)備將軸承座、軸承、軸封和擋圈鉚合在一起，形成了一個(gè)整體部件，從而更進(jìn)一步增強(qiáng)了軸承座的強(qiáng)度與剛性。

2、減少零部件數(shù)量，提高可靠性概率

在機(jī)械產(chǎn)品方面有有一個(gè)共識(shí)，即在同類(lèi)產(chǎn)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(cuò)的概率大。與圖-2的比較中可以看出，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)托輥廠家采用圖-1所示的迷宮式防塵結(jié)構(gòu)，一只托輥的零部件數(shù)量多達(dá)20件，制造及裝配工序冗長(zhǎng)，很難達(dá)到較高的產(chǎn)品合格率。而在圖-2所示的結(jié)構(gòu)中，由于事先在專用生產(chǎn)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(jié)構(gòu)的托輥只由4個(gè)零部件組成，加工過(guò)程極為簡(jiǎn)單，產(chǎn)品一次合格率可達(dá)到100%。

3、提高制造精度，保證產(chǎn)品質(zhì)量

高質(zhì)量的產(chǎn)品需要高精度的零件作保證?，F(xiàn)代輸送機(jī)要求托輥運(yùn)行平穩(wěn)、旋轉(zhuǎn)阻力低、使用壽命長(zhǎng)。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(shí)要保證軸承的質(zhì)量和潤(rùn)滑脂的質(zhì)量。特別是托輥的徑向跳動(dòng)量的增加將直接加大托輥所承受的動(dòng)載荷，嚴(yán)重制約托輥的高速運(yùn)行的能力。

另外，由于提高了沖壓精度，圖-2結(jié)構(gòu)所示的軸承座軸向深度M1一般要比圖-1結(jié)構(gòu)中的M少10mm以上，可以減少?zèng)_壓時(shí)的拉延量，提高了工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4、改善軸封性能，解決托輥“呼吸”問(wèn)題

在正常的情況下，托輥的高壽命取決于軸承的高質(zhì)量及其良好的運(yùn)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(wèn)題，即在運(yùn)行時(shí)溫度升高，托輥內(nèi)的氣體會(huì)膨脹逸出；在停運(yùn)時(shí)溫度降低，內(nèi)部的氣體會(huì)收縮，形成負(fù)壓。此時(shí)，若密封不好，會(huì)把外界密封口附近的氣體或液體吸入體內(nèi)。這樣多次反復(fù)，將使內(nèi)部冷凝水等有害成份逐漸增多，促使?jié)櫥褪?，破壞軸承的工作環(huán)境，導(dǎo)致托輥內(nèi)部腐蝕，降低托輥的壽命。這一癥狀會(huì)隨著托輥運(yùn)轉(zhuǎn)速度的提高而愈加嚴(yán)重。

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

圖-2所示的結(jié)構(gòu)，由于采用了多唇式的完全密封結(jié)構(gòu)，托輥內(nèi)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(nèi)，也可以起到初級(jí)的密封作用。另外，在托輥加工完成，經(jīng)初期運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承組件內(nèi)被預(yù)先注滿軸承部位的專用潤(rùn)滑脂有部分被擠入軸承組件與軸配合的各個(gè)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(rùn)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(lái)的許多問(wèn)題。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要解決好多唇式密封圈的精度與材質(zhì)的耐磨和穩(wěn)定性問(wèn)題。目前英國(guó)有一家公司可以較好地解決這一問(wèn)題，而國(guó)內(nèi)類(lèi)似的產(chǎn)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(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案是優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的前提，而先進(jìn)合理的工藝、工裝、設(shè)備及監(jiān)測(cè)儀器等是產(chǎn)品批量?jī)?yōu)秀的保證。托輥生產(chǎn)工藝雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但在批量較大的情況下，要保證具有很高的一次產(chǎn)出合格率也并非易事，仍需要很好地探究。

為此，在以上產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，探討如何將優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案，變成批量整體優(yōu)秀的產(chǎn)品。根據(jù)相關(guān)理論和反復(fù)實(shí)踐，以下幾個(gè)方面是行之有效的：

1、減少加工工序，降低累計(jì)誤差

托輥生產(chǎn)相對(duì)來(lái)講，屬于較為粗重的加工行業(yè)，其外形尺寸精度多以mm為單位，加之多年來(lái)國(guó)內(nèi)絕大部分輸送機(jī)帶速較低，運(yùn)量不大，對(duì)托輥的精度要求不高，即使不滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求也都可以湊合著用，多數(shù)加工人員對(duì)精度并不敏感。

對(duì)此，我們可以將托輥生產(chǎn)分成兩段，即將高精度的核心部件——軸承組件單獨(dú)組織專業(yè)生產(chǎn)；然后，將組裝成一體的軸承組件作為一個(gè)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(jiǎn)單，控制環(huán)節(jié)大大減少，有效地降低了不同加工組裝環(huán)節(jié)的累積誤差。

2、 選用直接組裝定位基準(zhǔn)，甩掉中間過(guò)程誤差

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

由于有了上述的改進(jìn)設(shè)想，我們就有條件對(duì)托輥裝配的定位方式進(jìn)行重大改進(jìn)，即設(shè)計(jì)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(zhǔn)，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(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差對(duì)最終托輥產(chǎn)品精度的影響，使產(chǎn)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(pán)，6主軸。

3、減少人工控制環(huán)節(jié)，提高工藝穩(wěn)定性

為了實(shí)現(xiàn)托輥生產(chǎn)高效、穩(wěn)定、便捷的目標(biāo)，提高各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化程度，減少人工控制環(huán)節(jié)至關(guān)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(kāi)發(fā)了CO₂氣體保護(hù)自動(dòng)定位雙端焊接機(jī)。經(jīng)多個(gè)批次，上萬(wàn)只托輥的實(shí)際檢驗(yàn)，證明效果顯著，按MT821-1999標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，平均一次產(chǎn)出合格率高達(dá)99%，這是其它傳統(tǒng)工藝所無(wú)法達(dá)到的。

六、結(jié)束語(yǔ)

由于托輥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，工藝可靠性及穩(wěn)定性的提高，大批生產(chǎn)高承載、高速度、高壽命的優(yōu)質(zhì)托輥?zhàn)兊萌菀灼饋?lái)。隨著這些成果的廣泛應(yīng)用，必將對(duì)我國(guó)的托輥行業(yè)產(chǎn)生重大影響，為提高我國(guó)帶式輸送裝備水平做出貢獻(xiàn)。