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毕业设计说明书
毕业设计说明书
课题名称:
带钢托辊设计与制造
学院:
机械工程学院
专业:
机械制造与自动化专业
班级:
学生姓名:
指导老师:
二〇一四年十一月一日
摘要
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,托辊是用于支承输送带及输送带上所承载的物料,保证输送带稳定运行的装置。
托辊种类:
槽形托辊、平行托辊、调心托辊、缓冲托辊、冲回程托辊、回程托辊、梳形托辊和螺旋托辊等。
托辊间距应满足两个条件:
辊子轴承的承载能力及输送带的下垂度,托辊间距应配合考虑该处的输送带张力,使输送带获得合适的垂度。
稳定工况下的下垂度应限制在%%以内。
本文中主要介绍带钢托辊的设计与制造,其中包括Pro/E,AutoCAD、机械部分设计。
带钢托辊的设计与制造中还有许多的问题等待解决,例如,如何合理布置托辊,设计恰当的托辊间距,以减少托辊的使用数量,降低整机价格,减少投资、营运及维护费用,提高经济效益。
托辊的加工工艺也是一个重要的方面,因为托辊制造工艺会影响托辊动载荷。
金属材料还要考虑其材料的结构和性能、金属材料的热处理、零件表面的处理等问题。
带式输送机广泛应用于现代化的各种工业企业中,而托辊是带式输送机的重要部件,故此托辊的好坏关乎输送机的正常工作,企业正常运行的必要条件。
关键词:
带式输送机托辊带钢托辊的设计与制造机械
Abstract:
Beltconveyorisanimportanttransportequipmentoflargebulkmaterial.Inrecentyearscontinuedgrowthinthenumberandqualityofbeltconveyor,rollerconveyorbeltmaterialisusedforsupportingandconveyingbeltontheconveyorbelt,toensurethestableoperationofthedevice.Rollertype:
troughtyperoller,paralleltotheroller,self-aligningroller,roller,Chongreturnroller,returnroller,combidlerandspiralrolleretc..Theidlerspitchshouldmeettwoconditions:
thecarryingcapacityofrollerbearingsandconveyerbeltsag,rollerspacingshouldbeconsideredtheconveyorbelttension,theconveyorbelttoobtainpropersag.Stabilityconditionsshouldbelimitedwithinthesaginthe%%.
Thispapermainlyintroducesthemetalrollerdesignandmanufacturing,includingPro/E,AutoCAD,mechanicaldesign.Metalrollerofthedesignandmanufactureofstillhavemanyproblemswaitingtobesolved,forexample,howtoreasonabledecorateroller,designappropriaterollerspacing,toreducetheuseofrollerquantity,reducetheprice,reduceinvestment,operationandmaintenancecostandimprovetheeconomicbenefit.Theprocessingtechnologyoftherollerisoneoftheimportantaspects,becauserollermanufacturingprocesswillaffectrollerdynamicload.Metalmaterialsalsoconsideritsthestructureandpropertiesofmetalmaterials,heattreatment,partsofthesurfaceoftheprocessing.Beltconveyorarewidelyusedinvariousmodernindustrialenterprise,androllerisanimportantpartofthebeltconveyor,therefore,thestandorfallofrollerforthenormalworkofthebeltconveyor,enterprisethenormaloperationofthenecessarycondition.
Keywords:
beltconveyorrollermetalrollerdesignandmanufacturingmachinery
目录
第一章托辊的简介和前景..........................5
1.1托辊的三次技术革命............................5
1.2国产托辊与国外的差别.........................6
1.3托辊的市场分析和前景.........................7
第二章托辊的理论研究...............................8
2.1托辊主要性能指标................................8
2.2托辊的失效机理..................................9
第三章带钢托辊的设计与制造...........................14
3.1托辊的结构分析和材料选择.......................14
3.2金属材料的热处理...............................14
3.3托辊轴的加工...................................14
3.4托辊管的加工...................................15
3.5托辊的组装焊接.................................15
第四章带钢托辊的计算.................................17
设计总结................................................26
参考文献................................................27
致谢....................................................28
第一章托辊的简介和前景
1.1托辊的三次技术革命
第一次技术革命托辊的密封结构,减小旋转部分的重量,利用工程塑料“尼龙合金”材料设计的《新型轴承座》(专利号:
97229785.5)。
传统托辊过早失效的主要原因是,迷宫式密封结构的缝隙都暴露在外侧,托辊运转工作时,淋水、粉尘和稀泥很容易顺着缝隙钻入到迷宫式密封结构中。
污染物只要进入了第一道迷宫,就会“势如破竹”的向里延伸,轴承很快就被卡死,造成托辊的过早失效。
新型轴承座的主要特点是:
①在它的外侧直接设计有凹凸的迷宫式密封槽,增加了一层迷宫式密封的结构,使密封效果更加可靠。
②大幅度减小了转动惯量。
工程塑料“尼龙合金”的比重小,降低了托辊旋转部分的质量,转动惯量大幅度减小。
③工程塑料“尼龙合金”的机械强度完全能够满足托辊的使用要求,又能够利用模具生产,几何尺寸精度和一致性得到了保证,为规模化生产提供了可靠保障。
④利用工程塑料“尼龙合金”的塑性变形的特点,可实现托辊钢管无加工装配的生产工艺,保证了托辊制造精度的一致性。
第二次技术革命为了达到彻底阻止淋水和粉尘污染的效果,设计的纵向迷宫式密封结构,《迷宫式托辊密封装置》(申请号:
200410010253.3)。
经过仔细分析研究,认为水和灰在迷宫式密封结构中能够延伸污染的原理应该是“万有引力”。
托辊在防水和防尘试验台上的安装角度是30度,水和灰本来都不会自动向上跑的。
但是,迷宫式密封的基本结构都是轴向相互嵌入的,托辊转动时,迷宫式密封在相对运动,水或灰即利用运动时产生的引力,先向下、再向上、再向下重复着向前延伸。
根据这种现象,经过仔细的分析研究后,在托辊的最外侧设计了一种纵向迷宫式密封结构。
该结构在托辊转动时,可以形成一道“空气墙”,彻底截断了水和灰在“万有引力”下延伸的趋势。
在水和灰从上部的缝隙下来碰到“空气墙”后,由于不能再继续向前延伸,就只能顺着下面的缝隙再跑出来。
就这样托辊就实现了在淋水、粉尘和稀泥工况下的零污染长期运行。
并且不需要在各层迷宫密封腔中填充过多的润滑脂,有效减小了旋转阻力。
第三次技术革命解决托辊的防腐蚀、锈蚀和耐磨性差的难题。
《一种带式输送机托辊及其制作方法》(申请号:
200510017907.X)。
托辊的防腐蚀、锈蚀和耐磨性差也是一个大难题。
尤其在煤矿井下使用,由于锈蚀、腐蚀或者磨损,每年托辊钢管单边的损(磨)耗量竟达到1.5毫米以上,其它各种输送尖锐且硬度高的物料(比如炉渣等)对托辊磨损也比较严重。
而在地面如电厂、水泥厂和矿山等环境中,每年的磨耗量仅为0.2毫米以下,差距之大可谓惊人。
因此,在特殊环境中使用时,提高托辊的防腐蚀、锈蚀和耐磨性就显得非常重要。
采取在托辊外圆周包裹轮胎橡胶耐磨层的方法解决了这一难题。
汽车轮胎生产时的材料选择、配方和生产工艺等非常严谨。
因此,它具有突出的耐磨、耐腐蚀、耐老化、耐冲击、耐疲劳、抗撕裂、弹性好等优异的综合特点。
将报废的轮胎橡胶不改变其性能包裹在托辊的外圆周作为耐磨层,该方法不但使托辊达到了防腐防锈和耐磨的效果,并且大幅度减少了对胶带的磨损。
1.2国产托辊与国外的差距
托辊是胶带输送机的关键部件,它消耗钢材多(重量约占整个胶带输送机的35%),加工工作量大,而且使用了大量的滚珠轴承;同时,托辊性能的优劣直接影响输送机的功率消耗、胶带张力及使用寿命。
我国目前普遍使用的胶带输送机托辊与国外托辊相比,存在以下差距:
1.使用寿命短,德井下托辊使用寿命为20000h,英国规定为26000h,而我国托辊的寿命多则一年,少则三、五个月,极个别的可达到(15000~26000h)。
2.运行阻力系数大,国外托辊运行阻力系数定为0.022,而国内则大于0.035,运行阻力系数的大小直接反映在电机功率上。
西德艾克霍夫公司运载量700t/h,B=1000mm的皮带,电机功率为2×55kW,吨公里所需功率为0.157KW;而国产SDJ-150型运载量630t/h,B=1000mm的皮带,电机功率为2×75kW,吨公里所需功率为0.340kW。
3.托辊重量大,西德(Φ180×380)托辊重6.7kg,国产TD75型(Φ108×380)托辊重7.3kg,仿德SDJ-150型(Φ108×350)托辊重7.5kg。
托辊越重,消耗钢材越多,消耗功率越大。
4.带速,国产托辊转速比发达国家慢,我国带式输送机带速为4m/s,国外为5m/s以上。
5.高效储带与张紧装置,我国采用封闭式储带结构和绞车红紧为主,张紧小车易脱轨,输送带易跑偏,输送带伸缩时,托辊小车不自移,需人工推移,检修麻烦。
国外采用结构先进的开放式储带装置和高精度的大扭矩、大行程自动张紧设备,托辊小车能自动随输送带伸缩到位。
输送带有易跑偏,不会出现脱轨现象。
1.3托辊的市场分析和前景
胶带输送机是国民经济发展中必不可缺的长距离、大运量、最便捷的输送设备。
广泛应用于煤炭、矿山、码头、电厂、钢铁厂、水泥厂等行业。
托辊是胶带输送机上的重要部件,胶带输送机使用寿命的长短,完全取决于托辊的制造质量。
近几年我国托辊行业发展速度较快,受益托辊行业生产技术不断提高以及下游需求市场不断扩大,托辊行业在国内和国际市场上发展形势都十分看好。
“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。
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800万元,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,其中托辊的价值约为22133万元,折合托辊数量为110多万只。
也就是说仅电力系统就需要新增的托辊就达110多万只,再加上每年更新换代的托辊按500家电厂,每个电厂需要1800只计算,还需要托辊近70万只。
两项合计需要托辊的数量为250多万只。
再加上煤炭、港口、码头、矿山、建材水泥行业、钢铁厂、粮食行业的托辊需求量,整个中国的需求量约为1420多万只,折合人民币为30亿多元。
因此托辊的市场是相当广阔的。
第二章托辊的理论研究
2.1托辊主要性能指标
2.1.1托辊的寿命和可靠性
托辊的寿命可分为理论寿命、计算寿命和使用寿命。
理论寿命一般是指轴承的标准寿命,由轴承生产厂提供。
计算寿命是指在理论寿命的基础上考虑轴承的工作状态、托辊部件制造安装误差、托辊的受力状态和托辊轴的变形等诸多因素换算得出的。
托辊的使用寿命比较简单,就是指托辊的实际运转时间。
通常把轴承的寿命看作是托辊的寿命,这是符合实际的,因为在绝大多数情况下托辊的损坏都是由于轴承失效而致。
影响托辊寿命的主要因素有:
.轴向串动量、防水性能、防尘性能、轴向承载能力、抗冲击能力、旋转阻力等。
按国标规定托辊的寿命不低于2万h,影响这一指标的因素很多,首先是轴承的选择,目前国内大多数厂家选用深沟向心球轴承,而国外有用圆锥滚子轴承的,如美国朗艾道公司制造的注油托辊就是采用圆锥滚子轴承。
从寿命看球轴承的使用寿命就是计算寿命,而圆锥滚子轴承的使用寿命与计算寿命不同,一般情况下使用寿命是计算寿命的3倍,目前大多数人选择向心球轴承是由于如下优点:
(1)价格较圆锥滚子轴承低;
(2)运转阻力相对小一些;(3)允许加工误差大一些,托辊轴承变形对其寿命影响不大。
轴承的失效主要是蚀斑和剥蚀所致,一旦出现蚀斑或剥蚀,轴承就会很快沿滚道扩展,直至轴承失效。
2.1.2托辊的运转阻力
托辊的运转阻力分为静旋转阻力和动旋转阻力两种,动旋转阻力是在加载的情况下测试的,其数值一般在2.5一4.35N之间。
滚子的旋转阻力将影响带式输送机运行阻力的大小、功率消耗的多少以及辊壳的磨损等。
从制造上看托辊旋转阻力与轴承的种类、规格、装配游隙、轴承的同轴度、润滑油的种类、润滑方式和密封结构等有关,国内外较好的托辊的旋转阻力可以达到0.5N,差的可以达到6N,差别很大
除此之外,带式输送机的运行阻力不完全取决托辊阻力,胶带和物料的变形阻力占了相当大的比重,使用圆锥滚子轴承托辊的输送机的实际运转阻力(消耗的功率)同球轴承托辊输送机一样。
2.1.3托辊的径向跳动与运转噪声
托辊的径向跳动主要取决于辊壳的径向偏差,一般允许的跳动值在0.5~1.0mm,管径越大允许的径向跳动也就越朴托辊径向跳动值的大小,对输送机的稳定运行有较大影响,尤其是在高速运行的情况下,过大的径向跳动可能引起输送机剧烈振动,使其不能正常运转。
托辊运转的噪声也与径向跳动有关,因此控制径向跳动是高速输送机托辊的关键问题之一,有效的办法是采用径向偏差较小的焊缝钢管。
朗艾道公司对管体的径向跳动进行严格的筛选和控制,生产的托辊的径向跳动在0.8mm左右,特别适合于大型高速带式输送机。
轴承对托辊运转的径向跳动及噪声也有一定的影响,相对来讲圆锥滚子轴承的径向跳动比球轴及小一些,运转噪声也小.
2.1.4托辊载荷的计算
托辊载荷分为静载荷和动载荷,按作用方向又可分为径向载荷和轴向载荷。
托辊的载荷计算研究还不十分完善,有些载荷的规律尚不清楚。
托辊的静载荷计算中主要考虑物料及胶带的正压力,在弯曲段还应考虑胶带张力的作用,特别是在凸凹弧段。
对槽型托辊受力分析时主要是载荷在3个托辊上的分配问题,尤其是在凸弧段,目前多数计算都把中间托辊看作受力最大,按物料重的70%和胶带重的40%计算,但是侧托辊受载后两个轴承的受力不等,同时还有比较大的轴向力。
托辊动载荷主要有:
(l)托辊辊壳偏心转动时产生的动载截;
(2)托辊偏心转动与胶带相互作用产生的动载荷;
(3)胶带及物料运动中对托辊冲击产生的动载荷;
(4)胶带横向弯曲振动拍打托辊产生的动载荷;
(5)胶带张力变化对过渡段托辊和弯曲段托辊产生的动载荷;
(6)高速运行的胶带通过托辊时物料和胶带变形对侧托辊作用力,特别是物料中含有大块时其冲击力很大;
(7)转载处托辊受物料下落的冲击动载荷。
正确的计算这些载荷对于选择托辊和估算托辊的使用寿命是非常重要的。
2.2托辊的失效机理
托辊通过输送带与托辊之间的摩擦力带动托辊管体、轴承座及轴承外圈、密封圈做旋转运动,与输送带并同其一起实现物流的传输,输带式输送机的性能参数,与托辊性能有着密切的联系,其运行阻力、运行时的噪声和输送带的振动等都与托辊密切相关。
因此,高性能托辊的研制与开发是带式输送机的关键之一。
目前国内煤矿使用的绝大部分国产托辊及少部分进口托辊普遍发生过早失效,使用几百小时就失效的托辊屡见不鲜。
每年由于托辊过早失效给企业造成极大的浪费。
我们课题研究组针对这种情况,认真分析托辊的失效机理
托辊失效的诱发因素如下。
各因素中,时间因素不是独立的诱发因素,没有力和环境因素的存在,时间因素就失去了意义,它与其它因素组合才起作用。
1,应用力因素的大小、状态和方式。
2,环境因素的温度和介质以及腐蚀性气体。
3,时间因素
2.2.1托辊轴、管体与轴承座的失效
管体和轴承座在托辊运转中承受交变应力,其失效模式为疲劳失效。
托辊轴受力不变(指方向不变),其失效为断裂失效。
疲劳失效是最常见和最重要的失效模式之一。
理论及实践研究表明,作为单个零件,托辊轴、管体和轴承座的失效几乎不会发生,它们的使用寿命很长,安全性很高。
然而,对托辊的全面分析得知,虽然作为托辊管体的钢管不容易断裂,但作为托辊管体,其同轴度、径向圆跳动等性能往往不符合托辊性能的要求。
从这个意义上讲,钢管制作的托辊管体容易失效。
2.2.2密封件的失效
密封结构有两种形式:
(1)非触式密封,运转阻力小,但密封效果稍差;
(2)接触式密封,密封效果较非接触式好.但是运转阻力偏大。
橡胶密封件广泛地应用於各行各业。
密封件一旦失效,轻则使设备不能正常工作、造成经济损失;重则会造成人身伤亡事故。
常见的失效原因主要有4种:
设计错误、选材错误、密封件质量问题和使用不当。
托辊密封件常用的材料有聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和尼龙等。
这些材料的耐热性能和导热性能较差,受热后容易发生老化、分解和变质,引起尺寸不稳定。
2.2.3轴承的失效
在理想的运转条件下,滚动轴承在任何应用中都将因疲劳而最终停止运转。
然而,由于托辊的运转环境恶劣,托辊轴承的密封难以保证,致使托辊轴承过早失效。
导致托辊轴承失效的原因十分复杂,除了常规的疲劳失效外,固体颗粒、腐蚀性的气体和液体侵人滚道,润滑脂老化,配合零件不同心和密封间隙不适当等都可导致托辊轴承的实际使用寿命大大低于计算的名义寿命。
预防和改进托辊的轴承失效:
过载及过热现象普遍存在于高线托辊轴承之中,且情况较为复杂。
热轧机在线监测和故障诊断系统的主要功能除了强调装配质量外,托辊轴承的选型也是相当重要的,为降低成本,高线也曾试用过国产托辊轴承,但与进口轴承相比仍存在较大差距,国产化效果并不理想,由于在线烧托辊轴承所带来的严重后果及经济损失是无法用国产化效益来弥补的,因此在国内产品未成熟或无一定把握时,仍选用适合高线轧机的进口优质轴承(如要不断观察润滑油脂是否正常以及轴承内、外圈的颜色变化和磨损情况,并从中摸索寻求过载和过热序生的规律,分析原因,及时采一取更换承载方向、调整换辊时间、纠正不良装配等措施。
2.2.4润滑脂的失效
润滑方式有两种:
(l)一次性注油润滑,不适合长期运转托辊,托辊运转后期阻力会增大,同时轴承的寿命也较短;
(2)可注油式润滑,可以保持轴承处于良好的工作状态,同时又可以将轴承滚道内的污物排除,提高轴承的使用寿命,托辊运行阻力基本恒定。
在托辊轴承中,润滑脂的性能是逐渐变化的。
这主要是由于:
(l)润滑脂经受反复剪切,脂的结构发生了变化;
(2)基油逐渐氧化;
(3)尘埃和水份等杂质的侵人;
(4)基油的蒸发及脂的泄漏等的影响。
最终,润滑脂失去正常的润滑性能,摩擦温升急剧增加,滚动表面产生烧伤,这种现象就是润滑脂失效。
引起润滑脂失效的因素有设计上的不合理、制造质量低劣和材质缺陷等。
由以上分析可知,托辊的寿命取决于轴承的寿命,轴承的寿命又取决于润滑脂的寿命。
影响润滑脂寿命的关键因素是托辊的密封性能,而托辊管体及轴承座的精度从根本上决定了托辊的密封性能。
2.3延长托辊寿命的制造质量保证措施
2.2.1技术质量指标的影响因素
1钢管椭圆度的影响。
钢管椭圆度是影响托辊径向跳动的主要因素之一。
GB/T13792—92《带式输送机托辊用电焊钢管》对普通级和较高级的托辊钢管允许偏差值均有规定。
要保证托辊径向跳动指标应采用较高级的钢管。
2零件加工误差的影响。
对钢管而言主要是两端面对轴线的垂直度误差,对托辊轴而言主要是轴承定位圆柱面的同轴度误差、圆度误差和表面粗糙度;托辊轴与轴承、密封圈的工艺配合关系。
3装配误差的影响。
长寿命托辊为焊接式结构,装配误差包括焊接误差。
主要有:
装配工装的加工误差、定位误差、焊接热变形。
2.2.2提高质量的措施
在实际加工过程中我们主要采用了以下措施来提高制造质量:
(1)投料前应检查钢管椭圆度,使之符合规定。
(2)钢管下料及加工时应采用弧形或V型夹持器,夹持器与端面应留有一定距离,以免造成夹持变形。
(3)钢管加工宜在一次装夹中完成两端加工,以保证两端平行。
(4)组装及焊接应使用专用工装,每次使用前应核验其精度。
(5)零件组装前应进行清洗,确保零件清洁无污。
(6)应采用定量加脂器加脂,以确保密封沟槽处均匀注入规定量的润滑脂。
(7)采用托辊专用CO2气体保护焊接机床,确保焊接强度,避免焊接气孔夹渣等缺陷。
2.2.3重点质量指标的工艺控制
(1)托辊的径向跳动。
托辊的径向跳动误差主要受钢管形状偏差和装配误差影响。
在批量生产条件下,钢管的实际圆度偏差应控制在托辊径向跳动公差值的1/2以内;装配工装的误差控制在1/3~
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