第 1 章 绪论
1.1 研究背景
胶带输送机作为生产领域的一大主力，托辊损坏率以及报废率极高等问题，给生产带来了不可估量的损失。主要存在以下几点问题：第一，旋转阻力不易控制，在工作时容易发生急剧增大的现象，导致了管体圆壁的快速磨损，甚至在托辊磨透前就可能已经失效了；第二，轴承在井下工作灵活性很差，易发生抱死，导致管体破裂的现象。在对河北、山西等地的多家煤矿的生产情况进行调研之后，根据总结各种托辊应用的环境与实际工作中出现的问题，总结了托辊实效的形式和原因，发现矿用托辊仍然缺少相对完善的结构，各个煤矿迫切需要延长托辊使用寿命[1]。
虽然人们广泛认识到了密封结构对于提高胶带机性能和延长托辊使用寿命的重要性，但是市场上没有专门企业对托辊密封做深入研究，造成托辊的密封性未得到本质提高。
我国于 2009 年确立了最新的胶带机生产制造标准，对托辊的性能做出了明确而详细的规定，对防尘性、防水性、动力学和静力学特性等给出了进一步要求，也对性能测试重新做出了界定，这是原来不曾涉及的，多数企业没有足够的能力开发性能测试平台，可以说，现在投入使用的托辊试验机并没有能够完全达到标准。所以，开发新型托辊材料、研究托辊密封结构、研制功能齐全的托辊试验机，可以从生产制造、使用维护、功能测试三方面保证托辊在实际应用中的使用寿命，对于广大企业来说是迫在眉睫。
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1.2 托辊密封结构现状
1.2.1 胶带机的应用现状
胶带机结构简单，使用简便，标准化的组装部件容易更换，安装、配合方式灵活多变，具有极强的适应性，既可以单台输送，又能使用多台机器组合成流水线，或者与其他装备组合成输送系统，尽可能的达到不同生产线的要求，加之其适用于松散物料的运输，主要应用于连续、运输量大和自动化程度高的场所，在减轻工人劳动水平、降低企业成本、增强制造能力方面发挥着重要作用，因而受到矿山、冶金、煤炭、港口、交通、建筑等生产企业的青睐，极大地提高了生产水平[2]。典型的胶带机如图 1 所示。
为了适应各种企业的生产、发展需求，胶带输送机在不同行业形成了较为鲜明的结构特点。如，煤炭产业工作环境较为恶劣，为了保证生产能够连续进行，井下作业要求机器具备较强的承重和处理能力、稳定的牵引力、较长的疲劳寿命等，因此，煤炭行业中实际应用的胶带机形成了朝向大运输能力、大带宽、大倾角、增加单机长度和水平转弯能力、降低物料输送能耗等方向发展的趋势[3]。现如今，不断丰富的应用环境和科技催生出了多种结构新颖、功能强大的胶带输送机。
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第 2 章 托辊密封机理分析及结构设计
2.1 矿用托辊工况简介
中国煤炭的储备量在世界上名列前茅，非常充足，每年的开采量十分巨大。我国煤矿资源开采条件差，多数矿体位于地下几十米至几百米的深度[25]，经历了多年的采掘，我国大多煤矿已经把目光转向了深部、中深部开采，并陆续转入了深部井下作业。
目前，我国井下作业使用较多的开采方式有采煤机连续开采、水力采煤法、采煤机半连续开采三种[26]。井下属于较为密闭的环境，施工时进行的打眼、破碎、爆破作业会给井下环境带来极大的污染，不光影响人的健康安全，还会给机器造成极大的影响。在上述三种方法中，除了水力采煤法较为安全、清洁外，其它两种方法在凿岩、开采、运输过程中均会产生大量的岩尘、煤尘、有毒粉尘或腐蚀性气体等污染物和杂质。
煤尘 0.75~11nm 粒径的煤炭颗粒，岩尘 0.01~0.045mm 粒径的岩粉尘粒，其它粉尘主要为爆破产生的有机或者无机粉尘，这些粉尘遍布采空区和工作面内，如果对此不进行有效防护和治理，将对胶带机产生巨大的危害，其中，以托辊和轴承受影响的程度最大，经过调查，由此造成的损失占井下采掘机械自然损耗的 27%左右。煤炭挖掘的任何一道程序都会产生粉尘污染，矿井下粉尘的存在不仅增加了采煤工作的危险系数、影响人体健康，还会加快设备的磨损和腐蚀，影响仪器仪表的正常工作。粉尘是易燃易爆的物质，对工作环境污染比较严重，对整个矿井存在着潜在的安全威胁，给人们带来了极大的困扰，但是受到各种因素影响，到目前为止，这个问题仍然没有完美的解决方案[27]。
为了减少粉尘造成的危害和损失，几乎所有煤矿都会制定相关工艺规程和规范。我国《煤矿安全规程》中明确限制煤矿作业区的粉尘浓度含量，如表 2 所示。目前，所有煤矿都已经对粉尘造成的危害和损失积极应对，以改善井下环境，保障人员安全，减少对设备的损耗，国家安全生产方面也在努力推进这个过程，主要通过推广降尘方法，如改善通风，增加除尘器，设置除尘幕布，改变作业方式等方法，尽量减少粉尘的产生，阻断粉尘的扩散，以期尽最大程度努力来保障人员安全。
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2.2 托辊材料分析
随着材料科学的发展，托辊的材质经历了钢材等金属材料到树脂、尼龙、玻璃等非金属材料的过程，从而大大提高了生产力。在高分子材料研究取得一定成果前，我国的托辊基本上都是金属制成的，少量非金属托辊也是从国外引进的。如今，随着我国科研水平的不断进步，大批新型材料在实际生产中被成功运用，尼龙托辊就是在这种情况下应运而生。尼龙是一种热塑性塑料，难与其他物质发生化学反应，具有良好的耐腐蚀性，同时在机械磨损下，其表面破坏层的细小碎片在相对相动过程中被撕裂带走，暴露出新的光整表面，有一定的自润滑性[32]，即使是在恶劣工作条件下使用也不容易发生抱死现象，所以耐磨性也较为突出。除此之外，尼龙的高分子链和热熔下的特性决定了尼龙与其他化学助剂能够完美匹配，加入不同的药剂可以补偿尼龙在不同方面的缺陷，例如加入某些钝化物质可以大幅提高尼龙的抗静电能力，使其能够应用于井下。其他类似的新型材料也正在被广泛使用和推广，相对于尼龙可调性好、质价比高、使用方便，其他材料制成的托辊或多或少存在某些不足，如聚乙烯抗冲击性能优越，但本身的抗磨损能力略显不足[33]；聚氨酯托辊作为一种高分子复合材料，其高强度与高弹性使得它的使用性能高于市面上的大部分塑料托辊，但是其径向跳动难以保证；聚合物基复合材料托辊是目前较为新型的托辊材料，具有成本低廉，自润滑性能好，使用寿命长等优点，但是由于材料本身低温脆性大，使其在低温作业下难以推广。
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3.1 主要测试项目 .................................. 22
3.2 托辊试验机的技术路线 ............................... 22
第 4 章 托辊受力的有限元仿真 ...................... 31
4.1 三维仿真模型的建立 ........................ 31
4.2 有限元模型的建立 ............................... 32
第 5 章 托辊性能实验测试 .......................... 41
5.1 试验准备工作 ....................................... 41
5.2 试验方法及试验工具 .................................... 42
第 5 章 托辊性能实验测试
5.1 试验准备工作
在 GB10959-2009《带式输送机》中，对于托辊的轴向位移、防水性能、径向跳动大小、旋转阻力矩、径向磨损量等做出了明确规定。本次课题主要对托辊的旋转阻力及径向磨损量进行研究。试验前需要对加工好的托辊进行简单的密封性能测试，主要测试方法为，将托辊完全浸没在清水 2h，观察期间是否有气泡冒出，测试过程中若有气泡冒出则说明密封性较差，反之则密封性较好
根据前文可知，此次设计开发的试验机功能强大，增加了输送带和负载调节装置。施加在托辊上的载荷是通过调节螺栓实现的，根据力的平衡原理，托辊受到的力等于其左右两个相同大小的预紧力，故预紧力为所需施加载荷大小的一半。
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结论
本文以实际生产中矿用带式输送机的具体运行要求为出发点，设计托辊的密封结构及开发能够测试托辊性能的测试平台，按实际情况测试托辊的磨损量和旋转阻力，对比仿真结果以进一步分析托辊的性能和强度。所做具体工作如下：
1）新型托辊密封结构的设计
在迷宫密封的基础上，考虑了现有技术水平和经济效益，以非接触迷宫密封作为研究对象，分析和改进其本身不足之处，研究开发了两种新型托辊密封结构，并应用于下一阶段的实验中。
2）托辊试验机的开发
为了更加方便、准确地测试托辊，给研发、生产提供有效技术支持，针对现有设备存在的种种缺陷，开发出了一种操作简单、读数方便的新型试验机，增加了传送带、负载调节装置等配件，更加真实的模拟托辊工作情况，能够方便有效的测量托辊的启动功率、旋转阻力和磨损量。
3）有限元模拟分析计算
通过建立有限元模型，模拟两种托辊在不同载荷下的工作情况，在相同工作载荷下，尼龙托辊辊皮最大径向应力值为 14.444MPa，最大径向位移为 1.734mm，最大应力远低于进金属托辊的应力（37.184MPa）；随着施加载荷的增大，两者的应力和位移也逐渐增大。通过分析两者应力、应变大小，得到了尼龙托辊综合物理机械性能优于金属托辊的结论，为尼龙托辊在井下的使用提供了理论依据。
4）试验托辊的性能
利用新设计的试验机分别对两种材质托辊的启动功率、运行功率进行测试，尼龙托辊启动功率为 144.2W，正常运行时平均功率为 100.48W，磨损量为 0.036mm，远低于金属托辊的功率消耗（200.4W、153.7W、0.068mm）。对比模拟和实验结果可知：尼龙托辊的启动功率、平均功率、旋转阻力、同工况下的磨损量均低于金属托辊，并且使用寿命较长，能够满足矿山对于托辊性能的要求，使用尼龙托辊可有效提升设备性能。
通过搭建新型实验平台，仿真结合实验的方法，依据煤矿相关安全规定和使用要求，设计出了新型托辊密封结构，经过测试，其性能表现良好，既能减少资源消耗，又有利于环境保护。
参考文献（略）