托輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與工藝可靠性研究
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。近年來帶式輸送機(jī)的數(shù)量及質(zhì)量持續(xù)增長，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。為了簡便明了，這里僅以最常見的水平安裝為例，作靜態(tài)分析。
表1 兩種典型托輥零件構(gòu)成明細(xì)表
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非接觸式的迷宮軸封防塵級(jí)托輥
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接觸式的多唇軸封防水級(jí)托輥
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序號(hào)
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零件名稱
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材質(zhì)
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零件名稱
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材質(zhì)
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1
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托輥管體
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Q235-A
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軸承座
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ST-13
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2
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軸承座
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ST-13
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大游隙球軸承
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組合件
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3
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內(nèi)密封環(huán)
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塑膠
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托輥軸
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45
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4
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托輥軸
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A3
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多唇軸封
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柔性高分子材料
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5
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大游隙球軸承
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組合件
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擋圈
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ST-13
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6
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迷宮密封動(dòng)環(huán)
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尼龍
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托輥管體
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Q235-A
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7
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迷宮密封靜環(huán)
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尼龍
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8
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彈簧擋圈
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65Mn
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9
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組合密封件1
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08F
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10
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組合密封件2
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工程塑料
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11
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組合密封件3
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08F
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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）。
ωRα為與L/H有關(guān)的函數(shù)值，對(duì)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(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(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(jié)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(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 盡量降低支撐長度，圖-2所示結(jié)構(gòu)的支撐長度L1至少要比圖-1所示結(jié)構(gòu)的支撐長度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，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，加工過程極為簡單，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。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(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)定性問題。目前英國有一家公司可以較好地解決這一問題，而國內(nèi)類似的產(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)測儀器等是產(chǎn)品批量優(yōu)秀的保證。托輥生產(chǎn)工藝雖然相對(duì)簡單，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，加之多年來國內(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，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，平均一次產(chǎn)出合格率高達(dá)99%，這是其它傳統(tǒng)工藝所無法達(dá)到的。
六、結(jié)束語
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)兊萌菀灼饋怼ｋS著這些成果的廣泛應(yīng)用，必將對(duì)我國的托輥行業(yè)產(chǎn)生重大影響，為提高我國帶式輸送裝備水平做出貢獻(xiàn)。
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