新型免胀套、免键联接等强度滚筒设计.doc

新型免胀套、免键联接等强度滚筒

项 目 研 制 报 告

焦作三岛输送机械有限公司
2004-11

目 录
第一章项目研制背景
第一节滚筒的市场分析
第二节滚筒驱动带式输送机常见故障
第三节 研制单位简介
第二章滚筒的理论研究
第一节滚筒的受力分析
第二节 滚筒结构的设计计算
第三节 带式输送机滚筒参数的确定
第四节 常见滚筒的失效形式和改造措施
第三章 新型免胀套、免键联接等强度滚筒的特点
第一节 新型滚筒的特点
第二节滚筒焊接工艺的改进
第三节密封结构设计
第四节常见滚筒轴的失效及更新设计
第四章 新型免胀套、免键联接等强度滚筒的社会经济性效益分析
第一节 社会效益
第二节 经济效益
第五章 总结

第一章项目提出背景
第一节滚筒的市场分析
胶带输送机是连续输送设备中一种常见的、最为通用的机械，被广泛地应用于冶金、煤炭、化工、建材等工业部门中的矿山开采、原料粉磨、煅烧、堆运等现代化生产中，起着实现各生产环节的连续性和自动化的作用，大大提高了劳动生产率，减轻了劳动强度。它与其他输送设备比较，具有工作平稳可靠，操作维护方便，物料适应范围广，输送距离长，运转费用低等优点。 滚筒是胶带输送机上重要的组成部分，胶带输送机使用寿命的长短与滚筒密切相关。
胶带输送机在各国都已实现了标准化、系列化。我国现行各部门使用最多的是 DT-75系列胶带输送机。根据国家“十五”计划的要求，起重运输行业要向大型化、高效率化、无保养化和节能化发展。目前，世界上带式输送机最大带宽达3．2米，输送能力最大为3．7万吨／时。在当今的起重运输机械行业，尤其看好长距离、大运量的DX高强度胶带输送机。尽管近年来胶带输送机行业高速发展，从六十年代的十几家发展到现在的100多家，仍不能满足国家经济建设发展的需要。
根据当前情况来看，由于我国工业高速发展，电力匮乏现象一直不能缓解，仅今年国务院已经批准和需要批准的火电项目就达近5000万千瓦，相当于要建设规模为60万千瓦的电厂83个，按常规计算，每个电厂需要胶带输送机的价值为1200万元，那么建设这些电厂需要的胶带输送机的数量就是66400多万元，其中滚筒的价值约为24600万元，折合滚筒数量为4多万只。再加上每年更新换代的滚筒按500家电厂，每个电厂需要80只计算，还需要滚筒近4万只。再加上煤炭、港口、码头、矿山、建材水泥行业、钢铁厂、粮食行业的滚筒需求量，整个中国的需求量约为50多万只，折合人民币为30亿多元。可以说市场是相当广阔的。

第二节滚筒驱动带式输送机常见故障
带式输送机常见的故障原因及危害，以及故障的预防措施分述如下。
1.2.1 故障原因及危害
(1)托辊损坏.托辊是带式输送机的主要部件，起着支撑输送带的作用，遍布整个机身，数量多。托辊损坏是最常见的故障，现场托辊损坏的现象非常普遍，有的还很严重。资料表明，损坏的托辊对输送带的阻力是转动灵活托辊的 30 倍，大量托辊损坏后将会急剧的增大牵引阻力并可能引起输送带磨损加剧、撕带、打滑、甚至输送带着火等严重事故。
(2) 输送带跑偏. 输带送跑偏也是常见危害较大的故障，是现场管理中比较棘手的问题。造成输送带跑偏的因素较多，主要有：机身中心、机头中心和机尾中心偏离；托辊调节不正常；巷道变形，机身倾斜，机架变形；装载不正； 输送带接头不正；输送带质量差，受张力程度不一样；托滚上粘结物料、托辊表面不平等；滚筒上粘煤，滚筒倾斜、变形.
输带送跑偏后果是严重的，主要有以下几个方面: 造成机尾处大量积煤，使输送带在滚筒上严重跑偏，影响输送机的正常运转，甚至噎死输送带造成打滑酿成重大事故。部分煤洒落在巷道内，造成输送带拖地运行.输送带跑偏，将磨损机架，使机架损坏；输送带跑偏增大了运行阻力，使负荷增大，缩短了输送机的使用寿命。
（3）输送带打滑。带式输送机输送带围包在传动滚筒上，依靠滚筒与输送带的摩擦力来驱动输送带运行。摩擦力有一个限度，不能任意增大，当传动滚筒相遇点与分离点的输送带张力差大于滚筒与输送带间的极限摩擦力时，就会发生输送带在滚筒上打滑而不能正常工作的现象。影响摩擦力的因素有输送带张力、输送带在驱动滚筒上围包角、驱动滚筒和输送带的摩擦系数等。
造成输送带打滑的主要原因有： 输送带过载；输送带与传动滚筒之间摩擦系数减小，输送带与传动滚筒的接触面侵入水和水煤泥；输送带的张力减小；驱动滚筒的包胶磨损严重。输送带与传动滚筒之间摩擦系数减小从而使输送带打滑。
输送带打滑不仅能够损坏输送带，影响生产，而且还可能造成滚筒与输送带摩擦起火。
（4）输送带撕裂
输送带撕裂分纵向和横向两种形式。纵向撕裂能造成大量输送带报废，现场中能一次撕坏几百米输送带的现象并不罕见，造成的经济损失极为严重；横向撕裂常常会造成断带而影响生产，对于大倾角钢丝绳芯带式输送机，甚至会因输送带下滑造成机毁人亡的重大事故。
（5）机头堆煤
机头堆煤是指带式输送机的卸载，将前一部输送机机尾和本部输送机机头埋没、甚至堵塞巷道的现象。
1.2.2 故障的预防
依靠科技进步，生产出质优价廉、坚固耐用的输送机，就要开发新型高效的易损件如新型托辊、滚筒、皮带等以延长整机的使用寿命。
提高职工素质，抓好制度落实；及时地高质量地搞好检查维护；为带式输送机运行创造一个好环境,加强带式输送机运输管理。

第三节 研制单位简介
焦作三岛输送机械有限公司是日本中外通商株式会社和中国焦作起重运输机械有限责任公司联合投资，引进日本NC公司的全套工艺技术建成的专门生产带式输送机、托辊、滚筒的专业厂家。每年生产托辊、滚筒50万只。
中国焦作起重运输机械有限责任公司是中国带式输送机协会的副理事长单位。已有40余年的带式输送机的生产经验，工艺技术成熟，生产经验丰富。自1985年来生产的 产品一直保持部优产品称号。1999年获得中国新时代质量体系认证中心颁发的《质量体系认证证书》，2002年8月又顺利通过2000版质量体系认证，获得2000版《质量体系认证证书》（GB/TI9001-2000标准）（注册号为：0502Q10363R1L）。该公司产品一直是国家多项重点工程的配套产品。我公司产品除了供应国内市场外还大量出口英国、美国、南非、东南亚、阿拉伯国家。中国加入WTO以后，公司为了适应市场的需要，积极引进、消化、吸收在世界带式输送机行业享有盛誉的日本NC公司成熟的、先进的托辊、滚筒工艺技术生产，按照日本NC标准生产的托辊经日本NC公司检测，全部达到日本NC标准（承载托辊的径向跳动均保证在0.5毫米以下，使用寿命在5万小时以上），已经在国内带式输送机市场上占着举足轻重的位置，生产出的高品质的托辊产品，已经进入国家托辊高端市场（如山东日照港、马鞍山钢铁厂、华润常熟电厂等），并开始向日本本土出口。2001年3月同日本石川岛播磨重工株式会社、日本株式会社三井三池制作所、日本输送机株式会社三家公司开始合作，每年向日本出口优质托辊10万余只。我公司生产的托辊已经在日本住友金属、日本新日铁等多家公司使用，运转平稳，反映良好。
我公司滚筒的生产也取得了丰硕成果，在吸收日本三岛公司先进生产技术的基础上，开发出了具有中国特色的新型免胀套、免键联接等强度滚筒，该产品与国内其他同类产品相比结构和生产工艺发生了根本性的改变，使产品价格、使用寿命、节约能耗等方面都有了飞跃性的提高，处于国内外领先水平。

第二章滚筒的理论研究
第一节滚筒的受力分析
滚筒是带式输送机的主要部件,滚筒的使用寿命严重地影响输送机的正常运转和生产,根据在输送机中的作用不同,滚筒分为传动滚筒与改向滚筒。传动滚筒与改向滚筒在工作状态下的受力情况不同,要求结构也不同。我们从滚筒的受力角度分析比较各类滚筒结构的使用情况。
2.1　受力分析
2.1.1式输送机的受力分析
带式输送机的传动原理可简化为普通带传动原理,传动带以一定的初拉力F0紧套在两个带轮上。由于F0的作用,使带与带轮之间产生正压力。传动带不工作时,带两边的拉力等于F0,如图2-1(a)所示,当传动带工作时,假设主动轮1以转速n1转动,带与带轮之间产生摩擦力Ff,而从动轮2在摩擦力Ff的作用下以转速n2转动,如图2-1(b),此时传动带两边的拉力发生相应变化,主动轮一边带被拉紧,其拉力由F0增加到F1,从动轮一边带被放松,拉力由F0减小到F2。整个接触面上的摩擦力(即有效圆周力),Ff=F1-F2。

图2-1 带传动工作原理

2.1.2带轮的受力分析
根据带传动的受力分析,作出工作状态下的带轮受力图,如图2-2所示。主动轮在主动力(矩)Fp作用下以转速n1转动,此时主动轮所受的力为传动带所受的张紧力作用于其上的压力f0,摩擦力Ff,以及主动力(矩)Fp,如图2-2(a),从动轮所受的力为传动带作用于其上的压力f0,摩擦力Ff。两轮受力情况相比,从动轮比主动轮少一个Fp。

图2-2带轮受力分析

2.1.3带式输送机传动滚筒与改向滚筒的受力特点
通过上述受力分析,认为带式输送机的传动滚筒相当于带传动中的主动轮,改向滚筒相当于带传动中的从动轮。传动滚筒比改向滚筒多受一个主动力(矩)。
(1)常见滚筒结构的使用情况分析
①传动滚筒使用情况分析
在生产实践中,我们曾接触各类结构的传动滚筒。图2-3(a)所示的滚筒结构简单、安装方便,但缺少轴向定位,使用效果差。图2-3(b)、2-3(c)所示的滚筒,结构基本相同,加工安装方便,但无轴向定位。中小型带式输送机大都采用这种类型的滚筒结构。图2-3(d)所示的滚筒,结构简单,加工及安装方便,强度高,焊接变形均匀,应力小,使用寿命长,效果最好。

图2-3　传动滚筒结构
1. 轴　2.螺钉　3.键　4.卷筒　5.螺母　6.轮毂

②改向滚筒使用情况分析
通常改向滚筒比传动滚筒受力小,在结构设计时可以比传动滚筒强度低。但有时由于输送机的张紧形式不同,输送带作用于改向滚筒上的压力很大。主强力带式输送机在使用过程中,由于该带式输送机在一改向滚筒处输送带张紧力大,作用于滚筒的压力大而使该滚筒压裂破坏,裂缝从一侧腹板焊接处沿轴向无规则裂至另一侧焊接腹板处。为此,采取了加强措施,即增加卷筒的钢板厚度,在卷筒内侧均匀布置了几条沿轴向方向的加强筋并沿圆周方向增加环状加强筋,如图2-4所示。

图2-4
采取加强措施的滚筒由于增加了加强筋,使焊缝数量增加,从而使滚筒内部存在很大残余焊接应力,经过长时间使用损坏进一步加剧,因此必须采取相应的工艺保证措施,消除在焊接过程中产生的焊接应力,保证焊接滚筒质量。这一实例说明,在进行改向滚筒的结构设计时,要计算输送带在各滚筒处的张力,对受力较大的改向滚筒,要增强滚筒强度，采取相应的工艺措施,保证焊接质量,从而保证滚筒的质量和使用寿命。

第二节 滚筒结构的设计计算
2.2.1 滚筒结构及载荷
滚筒按结构可分为焊接滚筒和铸焊滚筒2大类;按滚筒在带式输送机中的作用可分为驱动(主动)滚筒、非驱动(从动)滚筒2大类。大功率
(>360kW)驱动滚筒采用铸焊滚筒，其余均可采用焊接滚筒。焊接滚筒由筒体、幅板、轮彀、轴等组成;铸焊滚筒由底盘、中间筒体、轴等组成。
作用在滚筒上的基本载荷是胶带张力，它使滚筒及其零件弯曲变形，是进行滚筒强度计算的重要依据。对驱动滚筒来说，所传递的扭矩也是一项主要载荷。
2滚筒结构设计及计算方法
2.1滚筒最小直径的确定
按照国际标准中的有关规定，滚筒直径根据胶带形式、强度、紧边和松边张力以及滚筒类型由下式确定：

式中 D—滚筒直径，m(对于胶面滚筒指光筒直径)
S1—胶带紧边张力，kN
S2—胶带松边张力，kN
B—胶带宽度，m
α—胶带包角，rad
ρ许用传递能力，km2(帆布胶带P= 20 kN/M2，人造纺材芯胶带P=35kN/m2，钢绳芯胶带P=55 kN/M2 )
2.2滚筒轴直径的确定
滚筒轴受力见图2-5

图2-5 滚筒轴受力简图

(1) 按疲劳强度(寿命)计算
（2）
式中L—轴承至轮毅(锁紧器)距离
L3—滚筒体和轴采用锁紧器(胀套)联结方式时，为锁紧器工作长度，否则L3=0
P--1个轴承的载荷，P=(S1+S2)/2
W—抗弯截面模量，
p1—作用在轴上的力, P1=( S1-S2)/2
Wn—抗扭截面模量， Wn=πd3/16
［σ］一许用应力,

由式(3), (5)，可求出2个滚筒轴直径，取其中转大值为设计值。
2.3幅板厚度的确定
幅板厚度的计算式为

式(6)是焊接滚筒幅板等厚时，确定了转Ө3后，根据材料力学及弹性力学的有关知识推导出来的。当滚筒是铸焊结构时，式(6)所确定的幅板厚度，可以看成是幅板中径截面厚度。为了确定转角Ө3，必须首先确定轴和幅板的力矩分配系数x

式中M—滚筒轴和幅板所承受的总弯矩，
M=P·L
Mo—滚筒幅板所承受的弯矩
x一般在01一0.4内取值，对于焊接滚筒，直径小于1 000 mm，幅板为刚性时，X=0.3一0.4;对于铸焊滚筒，直径大于1 000，，幅板为软性时，x =0.15一0.25.
(7)
幅板厚度的确定，是一项比较复杂的工作，按式(6)求出幅板厚度后，还必须进行应力分析，才能最终确定。
等厚幅板危险应力点在幅板内径上。对幅板来说，径向应力和圆周应力就是主应力(在极坐标下)，可山下式得出

高而侵渍污物侵蚀磨损比较严重的特点,决定选用软填料品种中的聚四氟乙衡侵渍填料(ＰＴＦＥ),ＰＴＦＥ软填料由纯聚四氟乙烯塑料加工成纤维再经编织而成,它除了具备密封件所具有的良好性能外,还能与特种润滑剂相配合,避免渗透泄露、污水侵蚀、耐磨损、而且还可以耐一切化学品的侵蚀。缺点是对高温(200℃)和高线速度(8ｍ/ｓ)比较敏感,但是带式输送机改向滚筒则不会出现上述现象,所以不需考虑问题的后果。

第四节常见滚筒轴的失效及更新设计
在我们过去生产带式输送机滚筒轴由于其轴径粗大,造成调质后心部的机械性能较低,再加上中轴台阶过渡为尖角,且表面粗糙度低,结果使该轴在使用时出现断裂现象。
在经过认真的分析后认为：轴工作时表面承受交变的弯曲应力和扭转应力,且受到一定的冲击力作用,所以轴表面工作应力最大。尖角的出现造成了应力的特别集中,在长期交变应力作用下,尖角过渡区就逐渐形成了微观裂纹,应力集中又使裂纹逐渐扩展,由微观变为宏观,继而使轴截面严重削弱,最后发生突然脆断,即产生了疲劳破坏。对该轴宏观断口的特征观察，在轴表面有许多裂纹源同时向中心扩展,裂纹长度为4～5ｍｍ。而最后瞬断区的面积较大,证明轴是在较大的应力下破断的。
通过金相显微镜下观察的滚筒轴表面及心部组织均为细粒状珠光体加网状铁素体,晶粒度按ＹＢ27—77标准评为6级,这说明滚筒轴经过调质处理后内部组织仅为正火处理的组织,调质处理对45钢,140ｍｍ的滚筒轴来说只起到了正火作用。由于铁素体强度低(σｂ=230ＭＰａ),在外载的作用下不仅容易引起塑性流变,而且抗疲劳性能低,疲劳裂纹极易从铁素体处形成。另外该轴材质中有较多的灰色非金属夹杂物沿轴表向里条状分布,这些非金属夹杂物分布在轴表面,不仅削弱钢材自身强度,而且是应力集中处,继而成为裂纹源,加速了轴的疲劳断裂。
3.4.1改造方案
（1）结构改进
通过对滚筒轴断裂的原因分析得出： 应力集中是造成该轴疲劳破坏的主要原因,要改善轴的抗疲劳强度,减少轴在剖面突变处的应力集中,应适当增大其过渡圆角半径ｒ,同时还要使零件能得到可靠定位。为此我们改变了轴的结构工艺性,将尖角处改为ｒ=63的过渡圆角,且表面粗糙度提高到Ｒａ0.8,同时采用轴套进行轴向定位.
（2）热处理工艺改进
从滚筒轴的金相分析图中可以看出,调质处理后滚筒轴表面组织存在大量的网状铁素体,且组织不均匀。这些铁素体极易产生疲劳裂纹,加速轴的疲劳断裂,因此要增强轴的疲劳强度,必须消除大面积网状铁素体。正火处理用于亚共析钢(如45钢),可抑制或消除网状铁素体的形成,使组织细化,成分均匀,从而改善钢件的机械性能。虽然正火的工艺性不如调质好,但对滚筒轴而言正火使其获得的机械性能依然能满足设计要求。实验证明:正火后的轴表面脱碳及氧化程度较轻,涂防氧化涂料处尺寸正火前后变化不大,仅为±0 02,并经有关金相检验分析,原组织内大面积网状铁素体基本消除,成分均匀,晶粒度达到5级,硬度符合性能要求(正火后ＨＢ162～217)。
改进后,大大降低了传动滚筒轴的返修率,提高了滚筒的使用寿命,也使输送机的效率得到提高。经用户试用,效果非常满意。

第四章 总 结
我们在研制期内, 查阅了大量的国内外资料,考察了国内先进的设备, 分析现有滚筒在生产中存在的问题,瞄准世界领先生产技术,在原来的基础上加以改进，目前已达到较为先进的水平。与国内外其它产品相比较具有以下突出优势:
1新型免胀套、免键联接等强度滚筒完全采用日本JS标准生产，结构及生产工艺发生了根本性改变。接盘与滚筒轴的配合，采用日本 NC公司的专用工艺，采用轮彀内壁定位（过盈配合），保证筒体与轴之间不产生爬行，使得改向滚筒全部采用免胀套、免键联接方式，传动滚筒采用免胀套、过盈配合、靠键联接方式，确保滚筒的安全性。
2使用寿命长. 整个滚筒由于采用了等强度设计，并针对每条胶带的输送量、长度、带速制定滚筒的各项技术指标，减少材料用量，降低了滚筒的成本，提高了滚筒的使用寿命
4具有巨大的经济效益. 一只要比其他滚筒节约生产工具成本2000多元,按全国每年使用30万个计算采用新型滚筒可减少生产成本6亿；在节省电力的同时使用寿命延长一倍以上, 同时可以有效地延长胶带的使用寿命，将带来可观的经济效益.
总之, 新型免胀套、免键联接等强度滚筒相比具有突出的优势,各项技术指标如静平衡﹑使用寿命等遥遥领先,同时单个重量的降低和加工工艺的简化又使得新型滚筒的成本大大步降低.在社会需求量巨大的前提下, 该项目将带来巨大的经济和社会效益.