托辊设计文件001

托辊结构优化设计与工艺可靠性研究

托辊结构优化设计与工艺可靠性研究

赵世军任英广徐国泰

（上海高罗输送装备有限公司，上海201105）

摘要：本文从以托辊的力学模型和可靠性理论为基础，研究了托辊的结构优化设计与大批量生产的工艺可靠性问题。

关键词：托辊；多唇式轴封；轴承组件

中图分类号：文献标识码：

The design for idler structure improvement and the

study for the technical reliability

REN Ying-guang ZHAO Shi-jun XU Guo-tai

(Shanghai Goro Conveyor System Components Co., LTD, Shanghai 201105, China)

Abstract:The article studies the improvement of the design for idler structure and the technical reliability of idler batch production according to the dynamic models and the principles of reliability.

Keywords:Idler; Multi-lips Seal; Bearing Assembly

一、引言

带式输送机是大规模散料运输的重要装备。近年来带式输送机的数量及质量持续增长，

而作为带式输送机主要部件的托辊的重要性日渐提高。国内外对高承载、高速度、高寿命托辊的需求不断增加。所以，如何在不浪费资源的条件下，提高托辊的性能和使用寿命就成为广大托辊制造者的神圣使命。

本文从托辊结构的优化设计，托辊加工工艺可靠性的角度来探讨与总结如何提高托辊的技术性能，提高托辊的使用寿命。

二、托辊的典型结构

带式输送机托辊通常按密封形式可分为两种结构：即非接触的迷宫式轴封，如图—1所示；接触的多唇式轴封，如图—2所示。它们的零部件名称及材质见表1。

三、托辊承载时的受力状态分析

因托辊有多种安装形式，所以其受力状态多有不同。为了简便明了，这里仅以最常见的水平安装为例，作静态分析。

表1 两种典型托辊零件构成明细表

非接触式的迷宫轴封防尘级托辊接触式的多唇轴封防水级托辊

序号零件名称材质零件名称材质

1托辊管体Q235-A轴承座ST-13

2轴承座ST-13大游隙球轴承组合件

3内密封环塑胶托辊轴45

4托辊轴A3多唇轴封柔性高分子材料

5大游隙球轴承组合件挡圈ST-13

6迷宫密封动环尼龙托辊管体Q235-A

7迷宫密封静环尼龙

8弹簧挡圈65Mn

9组合密封件108F

10组合密封件2工程塑料

11组合密封件308F

在一般情况下，托辊的承载力、性能稳定性及寿命取决于轴承的质量及其工作状态。而轴承的工作状态又取决于润滑状态、装配质量和轴及轴承座的刚度。其中，托辊轴的受力变

形是影响托辊性能与寿命的主要原因。

图3

为了便于分析，我们将托辊的受力情况简化为如图3所示。其中P 位置相当于托辊两端的轴承位置。从机械设计力学可知,在图-3所示力的作用下，轴的变形量y与力P和支撑距离L 的关系如下：

其中：E为弹性模量，常数（钢的弹性模量为209GPa）。

I为轴的惯性矩，即I=лd4/64（d为轴径）。

ωRα为与L/H有关的函数值，对于托辊来讲其值一般小于0.05。

将I 及E 代入式①,将其中共有的常数项设为A，并整理，得

从式②可知，轴受力后的变形量y与承载力P、支撑长度L 的3次方成正比，与轴径的4次方成反比。也就是说，托辊支撑长度L 较小的增加，托辊轴直径d较小的减少都会使轴端的变形量y大幅增加。而y 的大幅增加将加大轴承的轴线偏斜量（托辊用深沟球轴承的允许偏斜角仅为8′～16′），破坏轴承的使用条件，同时加大托辊的震动，降低使用寿命。从以

上的分析可以看出，托辊的承载力取决于轴的长度，特别是支撑长度和轴的直径。这样，我们可以得出以下基本结论：

1、加大托辊轴直径、减小支撑长度可以大幅提高托辊的承载力；

2、在轴径和轴长相同的情况下，支撑长度越小，承载力越高。

四、托辊结构的优化设计

结构优化设计的目的是：在使用同样资源的条件下，提高托辊的技术性能和使用寿命，满足先进输送机大运量、高速度、高寿命需求。

根据托辊的原理和我们现有制造水平，着重从以下几方面考虑托辊的结构优化，以求达到上述目标。

1、增强结构刚性，提高支撑效能

l尽量降低支撑长度，图-2所示结构的支撑长度L1至少要比图-1所示结构的支撑长度L 减少5㎜以上。

l适当增加托辊轴直径，可以明显加强托辊轴的刚性。由于图-2采用了1㎜以上的轴肩设计，则轴在同样受力条件下的变性量可比光轴相应地减小30%以上，而图-1所示的结构因需安装弹簧挡圈而必须在轴的两端切1mm深的槽，更是削弱了轴的刚性，从而降低了托辊的承载能力和使用寿命。

l在图-2所示的结构中，在装入了轴承、多唇式轴封和挡圈后，使用专用设备将轴承座、轴承、轴封和挡圈铆合在一起，形成了一个整体部件，从而更进一步增强了轴承座的强度与刚性。

2、减少零部件数量，提高可靠性概率

在机械产品方面有有一个共识，即在同类产品中，零部件越少，可靠性越高。零件多，意味着工序多，工序多，意味着出错的概率大。与图-2的比较中可以看出，目前国内大多数托辊厂家采用图-1所示的迷宫式防尘结构，一只托辊的零部件数量多达20件，制造及装配工序冗长，很难达到较高的产品合格率。而在图-2所示的结构中，由于事先在专用生产线上将轴承座、轴承、轴封及挡圈组装为一体（我们称之为托辊专用轴承组件），所以，该结构的托辊只由4个零部件组成，加工过程极为简单，产品一次合格率可达到100%。

3、提高制造精度，保证产品质量

高质量的产品需要高精度的零件作保证。现代输送机要求托辊运行平稳、旋转阻力低、使用寿命长。为此，必须保证托辊轴、轴承座、轴封及管体具有较高的形状和位置公差，保证托辊的装配精度，同时要保证轴承的质量和润滑脂的质量。特别是托辊的径向跳动量的增