北京雨润华公司试验演示视频
煤矿井下用带式输送机托辊关键技术指标分析及其革新方法 —— 文章正文
我国煤矿井下用带式输送机一般处于以下比较恶劣的运行环境：潮湿、淋水、矿尘大、有易燃易爆可燃性气体和腐蚀性气体，矿井大部分废水中含有煤粉、岩粉、盐类、重金属元素、酚类、细菌和其它污染物，另电网电压波动较大，特别是处于或临近采、掘工作面运行时粉尘、废水的影响尤其突出。
随着国内煤炭行业采掘深度不断增加，煤矿井下用带式输送机运行环境的恶劣程度也逐步提升，另伴随国内近几年来煤炭生产行业资源的整合和大型煤炭企业综采生产方式的普及，特别是目前国家主导实施的大采高综采生产技术的实验与推广，煤矿井下用带式输送机对恶劣运行环境的适应能力以及为满足大采高综采方式的适用能力不得不随之提高，因而，煤矿井下用带式输送机运行的安全可靠性和经济性对煤炭生产企业的安全生产水平和生产效益的影响将愈来愈强。
目前，煤矿井下用带式输送机为适应国家对煤炭生产行业安全生产水平和经济效益水平监督或考核指标的提高及煤矿高产高效生产方式，特别是目前积极推广的连续采掘生产方式的转变，已形成向长距离、大运量及高速等技术指标方向发展的趋势，同时，煤矿井下用带式输机对煤矿井下恶劣环境的适应能力，以及其运行的安全可靠性和经济性的水平，对煤炭生产系统运行的安全可靠性和经济性的影响也愈来愈强。
目前，国内专业院校、研究机构对于可显著提高煤矿井下用带式输送机对煤矿井下恶劣环境的适应能力，以及可显著提高煤矿井下用带式输送机运行的安全可靠性和经济性的途径和方法主要分别注重于带式输送机运行动态分析方法和控制技术的开发，并且已取得了很好的技术成果，但对于煤矿井下用带式输送机关键部件的材料、结构等优化设计和装配生产工艺的开发则研发投入较少，相对影响了国内带式输送机技术的快速发展，并已形成与国际先进技术的较大差距。
影响煤矿井下用带式输送机适应煤矿井下恶劣运行环境，以及可显著提高其安全可靠性和经济性运行的关键部件，除驱动和控制系统外，从装配数量和直接影响能力判断主要为托辊。根据目前研究机构实验和带式输送机使用企业生产现场验证结果，评定托辊对带式输送机运行安全可靠性和经济性影响的关键质量技术指标主要有托辊密封的防水和防尘性能、旋转阻力、轴向窜动量和径向跳动量、轴向载荷能力、托辊管体的耐腐蚀和耐磨损能力以及其与输送带的摩擦系数等，这是因为托辊密封的防水、防尘能力和托辊管体的耐腐蚀和耐磨损能力是带式输送机能否满足在煤矿井下淋水、潮湿、粉尘及腐蚀等恶劣环境中保证安全可靠运行的必要条件之一，也是决定托辊使用寿命的关键条件；托辊的旋转阻力和托辊与输送带的摩擦系数以及托辊的轴向载荷能力决定了带式输送机的设计运载能力和运行能耗，并直接影响着驱动系统和输送带的使用寿命；托辊的轴向窜动量和径向跳动量也影响着托辊的使用寿命，同时直接影响着带式输送机能否平稳运行和运行噪音的高低，另外上述托辊的关键技术指标对带式输送机运行的安全可靠性和经济性还具有其它综合影响结果，如带式输送机的故障率、维护或维修的材料和人工费用等等。
根据国内研究机构实验结果及煤炭生产企业设备运行经验总结，可显著提高托辊关键技术指标的途径和方法主要有：
- 通过进一步研究密封机理，设计开发对矿井废水、矿井粉尘等流体污染物具有显著密封性能的托辊密封结构，以及本着保证密封组件在托辊使用寿命期内具有良好的可靠性及运行经济性，且结构简单和加工与装配工艺简洁的原则，优化设计密封组件材料、加工和装配工艺及其防水、防尘检测方法；
- 本着可针对煤矿井下用带式输送机运行环境中废水和粉尘等可对设备侵害的污物特性及其运载物料特性，开发具有耐腐蚀、耐磨损、耐冲击及较低摩擦系数，且必须满足煤矿用材料阻燃和抗静电等安全技术指标要求，并具有卫生无毒性能的托辊管体材料及其规模化生产工艺；
- 本着可显著提高托辊寿命，降低托辊旋转阻力，满足轴向载荷能力，并可显著降低润滑脂泄露率的原则，设计托辊轴承结构（包括油封结构）和装配生产工艺；
- 本着可显著提高托辊质量指标和托辊装配生产一次性合格率及生产效率，并具有装配和生产工序及操作方法简洁以及具有较低的生产设备投资和可灵活调整生产规模的目标，创新设计托辊的装配工艺及生产系统，以及与之匹配的托辊关键技术指标的质量检测工艺方法。
目前，国内已由北京雨润华科技开发公司、北京化工大学塑料机械与塑料工程研究所主持，由华北科技学院安全工程研究所、上海化工研究院、洛阳LYC轴承公司、北京异强塑料制品公司与中平能化集团、郑州煤炭工业集团等单位组成的技术联盟，采用上述技术途径和方法对可适用煤矿井下用带式输送机托辊的管体材料、轴承结构、密封结构以及装配生产工艺投入研发，并已取得多项研究成果，其中部分成果已转化为北京雨润华科技开发公司的新型带式输送机托辊的设计和生产中，经煤矿、金属和非金属矿山、水泥等行业企业近3年对采用研发成果开发的防水、防尘及长寿命托辊安装使用后验证，新型托辊对带式输送机运行的安全可靠性和经济性的提高产生了显著效应，说明该研发与设计途径和方法是可行的。
该技术联盟在带式输送机托辊管体材料的开发方面，主要采用了以下技术方法：利用目前认可的UHMW-PE（超高分子量聚乙烯）所具有的耐腐蚀、耐磨损、耐冲击、低粘附性、低摩擦系数及卫生无毒等特性，将其作为带式输送机托辊管体开发的新型基础材料，基于保持其良好的物理性能及满足煤矿用材料阻燃及抗静电技术指标的原则，把UHMW-PE与可降低体积电阻率的炭黑、由十溴联苯醚和硼酸锌及Sb2O3组成的复合阻燃体系、复合流动改性剂及偶联剂等改性剂通过机械方式（反应釜及螺杆挤出）进行共混，从而达到改性后的UHMW-PE具备良好的加工性能，并实现采用单螺杆挤出工艺加工的管材达到煤矿用管材的阻燃、表面电阻等指标要求，另因物理改性方法基本不改变UHMW-PE的分子构型，可基本保持UHMW-PE的原有优异性能。该技术工艺不仅解决了UHMW-PE材料在煤矿行业应用的安全技术难题，并实现了改性UHMW-PE管材的连续规模化生产，而且可通过更换模具生产可满足煤矿安全技术指标的不同类型或规格型材，为UHMW-PE材料在煤矿行业带式输送机托辊管体、瓦斯抽放和给排水管道等设备与设施上的广泛应用提供了良好的技术条件。
超高分子量聚乙烯及双抗超高分子量聚乙烯与其他材料性能指标对照表
| 密度 g/ ㎝3 |
摩擦系数 ％ |
化学稳定性 | 抗粘附能力 | 耐冲击强度KJ/㎡ | 自身润滑性 | 吸水率％ | 耐低 温性 |
磨损率 ％ |
|
| UHMW-PE | 0.94 | 0.05~0.10 | 耐各种腐蚀性介质及有机介质 | 不粘附、不结垢 | ≥150 | 很好 | <0.01 | -269°c | 0.46 |
| 改性 UHMW-PE |
1.07 | 0.11~0.14 | 耐各种腐蚀性介质及有机介质 | 不粘附、不结垢 | ≥140 | 很好 | <0.02 | -269°c | 0.55 |
| 45#碳钢 | 7.85 | 0.58 | 4.02 | ||||||
| 不锈钢 | 7.75 | 0.82 | 4.05 | ||||||
| 尼龙66 | 1.15 | 0.10~0.14 | 1.5 | 1.51 | |||||
| 聚四氟 乙烯 |
1.05 | 0.04~0.08 | <0.02 | 2.31 | |||||
| 橡胶 | 0.93 | 0.75 |
超高分子量聚乙烯阻燃和抗静电改性前后的主要技术与性能指标为：
| 序号 | 指标名称 | 双抗UHMWPE | 纯UHMWPE | 测试标准 | |
| 1 | 粘均分子量（104） | 100-200 | 300-500 | GB/T1841—1980 | |
| 2 | 密度（g/cm3） | 1.07 | 0.94 | GB/T1033—1986 | |
| 3 | 拉伸屈服强度（MPa） | 22.06（横向） | GB/T1040—1992 | ||
| 21.71（纵向） | |||||
| 4 | 拉伸强度（MPa） | 22.08（横向） |
30-35 | GB/T1040—1992 | |
| 26.33（纵向） | |||||
| 5 | 拉伸断裂延伸率（%） | 481.95（横向） | 350 | GB/T1040—1992 | |
| 590.0（纵向） | |||||
| 6 |
悬臂梁冲击强度（KJ/m ） | 20℃ | 不断裂 | 不断裂 | GB/T1843—1996 |
| 7 |
表面电阻（Ω） | ≤6×106 | ＞1012 | MT558.1—2005 | |
| 8 | 阻燃性（s） | 有焰燃烧时间3s | 不阻燃 | MT558.1—2005 | |
| 无焰燃烧时间3s | |||||
研发的阻燃和抗静电改性UHMW-PE管材（可用于新型托辊管体)检测报告
该技术联盟在托辊密封结构设计和加工工艺的研发方面主要采用了以下技术方法：首先依据于密封原理，采用计算机仿真和实验手段获得密封结构中各关键结构部件参数对流量系数以及部件参数不同匹配关系的影响结果，并依据获得的分析结论优化密封结构的关键部件参数，以此加工密封试验样品后再通过标准试验台实验，最终选定针对煤矿井下废水和粉尘物理特性具有显著密封性能的密封结构及其关键部件的优化参数。在密封结构的选定时，充分考虑了煤矿井下废水和粉尘的物理特性以及对两种不同介质应同时具备防护能力的因素，而且，考虑了密封结构在具有显著的密封性能的同时又不能明显增加托辊的旋转阻力，从而，设计为类似与直通式密封的新型非接触型单腔结构，另在密封件加工材料的选用上，为保证密封的安全可靠性选用了既符合煤矿用材料安全技术指标要求又具有耐腐蚀、耐磨损及耐冲击等性能的阻燃和抗静电改性UHMW-PE材料；在密封件加工工艺设计时，充分考虑到保证密封结构中关键部件的设计参数一致及易加工和便于装配操作等因素，密封件的加工工艺设计为模具冲压工艺，密封的装配方法采用密封组件模块化装配工艺。该项目开发的托辊密封经装配于钢制托辊在煤矿用带式输送机近一年以上生产现场验证，对煤矿井下粉尘和淋水具有显著的密封效果，但该密封结构尚存在对浸水的密封效果则不显著的缺陷，需进一步优化。
该密封结构的形式如下图：
1.管体 2.轴承座 3.密封组件 4.密封组件 5.密封组件 6.轴承
7.轴 8.卡簧 9.阻泥
该密封结构装配的托辊的技术指标说明表
| 序号 | 项目 | 计量单位 | 质量指标 | 产品检验结果 | 备注 |
| 1 | 寿命 | 小时 | ≥30000 | ≧50000 | 煤安标准为≧20000 |
| 2 | 旋转阻力 | N | ≤3.0 | ≤1.0 | |
| 3 | 防尘实验 (粉尘侵入量） |
200小时无粉尘 | 无粉尘 | ||
| 4 | 防水试验 （水侵入量） |
g | ≤150 | 0.00 | 淋水 |
| 5 | 轴向位移 （装配后检测） |
mm | ≤0.70 | 0.06 | |
| 6 | 轴向承载能力 | N | ≥15000 | ≧15000 | |
| 7 | 跌落试验 （轴向位移） |
mm | ≤1.5mm | 0.52 | |
| 8 | 外圆径向圆跳动 | mm | ≤0.50 | 0.20 |
该技术联盟在托辊的装配和生产工艺设计开发方面主要采用了以下技术方法：由于目前国内托辊的装配工艺一般采用方法为：钢制托辊采用轴承座、端盖分别与托辊轴、管体焊接的装配方法，此工艺存在因焊接产生轴与管体的内应力导致轴承的同心度、管体的园度等失真，从而造成托辊径向跳动增大，传送带跑偏几率增加，尤其是在托辊高速运转时，同时，因径向跳动的增大，对轴承的冲击增加，导致轴承寿命的显著降低；塑料、陶瓷等非金属材料管体的托辊装配，因难以采用焊接工艺限制，一般采用托辊轴设计台或糟及轴端加卡簧的松式装配方法，此工艺存在因部件间结合不紧密，从而导致在托辊高速运转或输送带带跑偏时部件移位，甚或脱落的问题。
该技术联盟在设计带式输送机托辊装配生产工艺时，依据尽可能简化生产工序，降低装配繁度和难度，提高一次性装配精度和合格率，提高生产效率及有利于实现产品关键技术指标质量在线检测等思想，因而，创新性地将托辊装配生产工艺设计为：托辊部件模块化和过盈冷装配生产工艺，其创新内容主要包括以下内容：
托辊部件主要包括托辊轴、轴承（已加注润滑脂并加装油封密封）、轴承座、端密封、定位销及辊体，上述部件中托辊轴在进入总装配工序前已按照产品设计参数采用模具拉光工艺进行加工，然后再进入定位槽加工工序，该工艺可有效提高托辊轴的直线度及表面光洁度；端密封组件、定位销、轴承座在进入总装配工序前按照产品设计参数分别采用模压和冲压工艺制造，可有效保证组件的几何精度；由于托辊部件无需在产品总装配时进行二次加工，可在进入托辊总装配工序时采用各部件模块化按序装配（即各部件间无需采用焊接工艺）工艺，因而各部件在总装配时基本不会产生原设计参数的偏移，另，各部件只要按照托辊轴向定位槽和辊体内侧定位槽装配到位，则各部件的组合即能达到设计技术参数要求；因阻燃和抗静电改性UHMW-PE管材存在刚性略低于钢管，且由于采用挤出成型工艺，存在管体内外圆度及直线度略逊于钢管的缺陷，因而，为有效修正辊体内外圆度、直线度，提高托辊承载能力以及保证辊体运行中静电有效导出，采取了轴承座选用碳钢板材模冲压加工工艺及端密封组件采用阻燃和抗静电改性UHMW-PE材料模压加工工艺，增加辊体壁厚和在辊体中部增加一组轴承组件，另在轴承座、端密封、与辊体组合装配时采用过盈冷装及托辊轴向与辊体内侧定位槽、轴端定位销定位的装配工艺，可实现在装配时对辊体内外圆度、直线度的修正，同时保证托辊轴向各组件的紧固度和结合精度，有效降低托辊的径向跳动和轴向窜动量，并可保证端密封组件精准结合，密封效果不失真；产品质量检测的项目和指标简化为对产品各部件在进入总装配前的几何参数是否符合设计参数的对照检测以及对装配后各部件在装配时是否符合其定位设计参数，因此，可将产品质量检测的时间由在成品后检测提前到产品在线检测；由于，托辊的装配生产工艺设计为部件模块化和过盈冷装配工艺，可有效提高产品的一次性装配合格率，提高装配的精度，简化生产工序，降低装配生产的难度和繁度，降低生产成本，提高生产效率，降低生产设备投资，同时，可实现根据企业投资能力和市场开发能力的不同，灵活地选择劳动密集型或自动化生产方式，有利于项目开发的关键技术的生产力转化。
目前上述几项研发成果均已获得国内发明专利授权，并已部分投入生产力转化，为国内煤矿用带式输送机，特别是煤矿井下用长距离、大运量顺槽带式输送机配套托辊的设计与生产提供了良好的技术储备，并随着该技术联盟研发成果的评定及技术推广后，将有效促进国内带式输送机技术，特别是适用于煤矿井下使用的新型托辊设计和装配生产工艺技术的发展。
Keywords（关键词）：带式输送机,托辊
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