带式输送机托辊结构的优化设计及研究

郝志刚

（晋能控股煤业集团四台矿劳资科，山西 大同 037001）

带式输送机具有长距离、连续运输且运输量大[1]等特点，目前已经成为煤矿安全高效生产的重要设备，且随着煤炭产业的发展，安全、高效、节能已成为矿用带式输送机的发展潮流[2]。带式输送机的主要组成部件包含驱动装置、托辊、输送带、拉紧装置、机架、清扫装置和改向滚筒[3]，其中，托辊主要是降低因承载物料引起的干扰[4]；
改向滚筒是输送带提供的运输导向装置；
驱动装置是应用输送带和滚筒间的摩擦力作用产生的驱动力来承载运输物料，而输送机的驱动电机提供给驱动装置所需的牵引力；
张紧装置是保持输送带在运行过程中的松紧张弛程度。带式输送机是由两个滚筒和紧套其上的输送带组成，输送带与滚筒形成封闭环形，皮带与滚筒间作用产生摩擦力，并在驱动滚筒作用下，带动输送带连续运转，从而达到将物料从输送带的一端输送到另一端，实现物料的运输。由于带式输送机的托辊在运行中会出现辊皮中间位置断裂或者变形严重的失效形式[5]，本文对托辊结构进行优化改进，选择在托辊的辊皮中间位置焊接圆环来减小跨度，并对比分析改进前和改进后辊皮位移和轴向位移分布的变化情况，进而提升带式输送机的工作性能。

托辊为矿用带式输送机中重要的支撑输送带、物料的部件，还可有效降低运行中输送带的阻力，保证输送带的垂度始终在合理范围内，进而实现输送带的正常运转。带式输送机托辊组成部件有辊皮、轴、轴承座、密封装置以及轴承等，其中，辊皮是与轴承座焊接连接在一起的，种类有无缝和焊接钢管两种；
托辊轴的两端是采用托辊支架支撑固定，发挥着支撑托辊自重和物料的作用；
托辊轴承通常采用滚动轴承，目前又出现了专用轴承和游隙轴承，这些种类更能够大幅提高轴承的使用寿命；
轴承座中有铸造和冲压式两种，而冲压式结构因其重量小、价格低等特点，已经成为目前应用的首选；
密封装置有迷宫式、接触式和组合式，其中迷宫式结构工作可靠、防尘效果好、阻力小[6]。带式输送机托辊的结构图如图1所示。

图1 带式输送机托辊的结构

由于带式输送机在生产中，经常会出现托辊的辊皮因变形大而失效，或者中间位置断裂等现象，不仅会加剧输送带的磨损，还会使输送带跑偏，甚至造成输送机的停机故障。有研究[7]表明，托辊最大等效应力、最大变形的区域都发生在辊皮中间位置，因此，为降低对辊皮影响，需对托辊结构进行优化改进。经相关文献[8]研究发现，通过减小辊皮的跨度值，就可减小最大应力值和最大挠度值，进而降低对辊皮的影响。所以，本文提出采用减小辊皮跨度值的方法来对托辊进行设计，具体是在辊皮的中间位置焊接一个圆环，以此来减小辊皮的跨度值。

为确定增加焊接圆环后，带式输送机托辊的最大应力和最大变形是否减小，本文对比分析优化前后带式输送机托辊结构的辊皮位移和轴向位移分布的变化情况，进而确定托辊的强度和刚度是否满足要求。

对带式输送机托辊结构优化前后的辊皮位移进行分析，分别得到下页图2和图3所示的变化曲线。从图2中可看出，优化前，辊皮的最大位移大小是0.165 mm，最大位移值在托辊辊皮的中间位置；
辊皮的最小位移大小是2.63×10-3mm。本文依据标准GB/T 13793—2008可知，托辊辊皮的许用变形[9]是：

图2 优化前的带式输送机辊皮位移（m）变化图

图3 优化后的带式输送机辊皮位移（m）变化图

式中：[y]为许用变形；
L1为辊皮长度，取465 mm。因此，辊皮的许用变形[y]=0.5×465/1 000=0.232 5 mm，大于本文中辊皮的最大变形0.165 mm，尽管优化前托辊辊皮的刚度也符合要求，但是还是存在很大的保留。

从图3中可看出，优化托辊结构后，辊皮上的最大位移大小同样也位于增加辊皮端面和圆环的中间位置处，大小是6.58×10-2mm，相比于托辊优化前图2中的最大位移大小1.65×10-1mm，减小了60.1%，降低的幅度明显比较大。优化后，降低辊皮的位移值对带式输送机托辊的运行有着重要的意义，不仅能有效地降低托辊运行过程中出现的径向跳动，还可缓解因托辊的横向激励振动对输送带的影响[10]，防止出现输送带跑偏的现象，从而保证托辊在工作中的正常平稳运行。

为进一步研究增加焊接圆环后，托辊辊皮上的位移分布情形，本文选取带式输送机辊皮上表面的中线，也就是经过最大位移点的直线，分别得到托辊结构优化前后辊皮位移分布的曲线图，如图4和图5所示。

从图4中可看出，未改进托辊结构前，带式输送机辊皮上的轴向位移分布呈现出如下的变化规律：从两端到中间位置，位移大小不断增大，且在中间位置，位移大小达到最大值。

图4 优化前的带式输送机辊皮轴向位移分布曲线图

图5 优化后的带式输送机辊皮轴向位移分布曲线图

从图5可以看出，在辊皮上焊接一个圆环后，辊皮沿轴向也就是圆环两侧的位移分布呈现出对称的分布规律。具体分布情形是：位于辊皮端面初始位置，位移大小不断增大，到辊皮端面和圆环的中间位置，位移大小达到峰值，随后又逐渐减小，到达圆环位置处，位移大小减小至最小值。由此可见，焊接一个圆环后，可大幅提升带式输送机辊皮的性能。对比图4和图5还可看出，对托辊结构进行优化后，辊皮上同一位置处的位移大小大幅减小，同时，相比于优化前，位移分布更加均匀，能够大幅提升带式输送机辊皮的性能。

为降低带式输送机托辊运行中的故障，进而保证输送机的平稳运行。本文对托辊结构进行优化改进，选择在托辊辊皮的中间位置焊接圆环来减小跨度，并对比分析改进前和改进后辊皮位移和轴向位移分布的变化情况，结论是：

1）改进前后，托辊辊皮的最大变形均位于中间位置，但是增加焊接圆环后，能够明显降低辊皮的位移变形值，从而保证托辊的正常平稳运行。

2）改进后，托辊辊皮上同一位置处的轴向位移分布值大幅减小，且位移分布更加均匀，大幅提升了托辊辊皮的性能。