皮带输送机托辊的长寿命密封设计

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　长期以来，托辊的使用寿命一直被从事皮带输送机设计和维修的技术人员所关注。因为托辊是皮带输送机上用量最多、分布最广的组件，一般分布于整机的全程中(如上承载用的是“V”型托辊组，下回程用的是平托辊组)，其重量约占整机重量的1/3，价格约占整机的1/5～1/3。
　　同时托辊也是皮带输送机上出现故障率最高的组件，托辊失效形式一般均为轴承损坏而不能灵活旋转。不论是布置于承载段的“V”型，还是分布于回程段的平托轴均都直接与皮带输送机的输送带接触。当托辊旋转失灵或不能旋转时，就必然会引起输送机工作阻力增大，能耗严重，加速输送带的磨损，严重时还会出现超载停机和输送带撕裂、撕断现象。
　　但是就托辊的使用工况来讲，应属于低速轻载，在轴承选型正确、结构合理、制造和安装合格的情况下，轴承为什么不能到达设计寿命、甚至极短呢？通过对现场出现故障的托辊进行解剖分析，可确定其主要原因是由于托辊轴端的旋转密封失效所致。因此，长寿命密封的设计是提高托辊寿命的关键，是降低输送机故障率、降低维护成本的根源。
　　1、常用托辊的密封结构形式和应用工况分析
　　(1)常用密封结构形式
　　不论是应用于承载段的“V”型托辊还是回程段的平托辊，就其密封结构来讲大致上有两大类：一种是应用于冲压轴承座的端面带有环形密封槽的内、外密封圈组合密封结构形式的迷宫密封，如图1所示。

1．内密封圈 2．外密封圈 3．冲压轴承座
图1  托辊迷宫密封的结构简图

　　其工作原理是：
　　安装固定在转轴上的径向端面排有许多环形的矩形密封齿、槽的外密封环，轴旋转时，外密封环与轴同时旋转，它与内密封环之间就产生了相对旋转，当气体从一个密封齿、槽间隙进入下一个密封齿、槽时，会因运动速度不同而膨胀，出现强烈的旋涡现象，气流的大部分能量转化为热量而散失，其焓值恢复到接近于间隙前的值，气体压力逐级下降，从而达到密封的作用。
　　另一种是应用于铸铁轴承座的碗形密封结构，如图2所示。

1．碗形密封圈 2．铸铁轴承座
图2  托辊碗形密封结构简图

　　其工作原理是：
　　耐油橡胶或皮革制成的弹性碗形件，在装配预紧力的作用下，通过碗形件的磨损产生弹性变形来实现密封。
　　(2)使用工况和失效原因分析
　　①工作环境
　　对于应用于煤矿的带式输送机来讲，一般均为长期工作于环境非常恶劣的井下，由于井下空气流动性差，其空气潮湿，粉尘、煤尘等污染物较多。如果托辊密封设计不合理或密封在工作
中磨损，极易造成安装轴承的封闭腔内进水、泥浆和灰尘，加速托辊内的轴承磨损，从而导致托辊过早报废。
　　②应用工况
　　虽然皮带输送机的运输量较大，托辊布置较多，但考虑到为了保证输送带正常连续运转，必须严格控制胶带的下垂度，因此对于每一段或两个托辊组来讲，每个托辊的承重量还是较小，又因托辊的转速较慢，故托辊的应用工况属低速轻载。
　　③结构缺陷
　　迷宫密封的缺点：
　　托辊工况特点为低速旋转，旋转产生的允许压力差小，由于加工装配的误差存在，必然会造成旋转环形齿、槽内的相对间隙分布不均匀。甚至会产生相互间的磨损，在间隙大的地方污染物易进入轴承内，产生磨料磨损，导致磨损的加剧。
　　碗形密封的缺点：
　　A、在温度差和压力差较大或分布不均匀情况下，密封唇部产生的弹性变形也不均匀，变形小的部位密封效果差，变形大的部位磨损严重。
　　B、碗形密封是依赖弹性变形来达到密封效果的，由于密封唇部与旋转件有相对运动，经过一段时间工作后，在摩擦力的作用下要产生唇部的磨损，如果达不到任何补偿，起密封效果的弹性力就要下降，密封唇部的变形量也相应量小，造成密封效果不良。
　　2、长寿命密封的设计
　　(1)结构
　　通过上述对托辊使用的工况分析，可以看出合理密封设计是保证托辊使用的关键，为了克服迷宫密封对制造、安装和使用工况要求苛刻及碗形密封变形不均匀和无法实现磨损补偿的缺陷，选择“U”型的自补偿旋转密封形式，其结构如图3所示。

1．橡胶唇 2．金属骨架 3．弹簧圈
图3  托辊“U”密封结构

　　工作原理为：
　　当托辊工作时，轴承会因旋转而产生的摩擦热使轴承空腔内的气压上升，高于外界的大气压，此时密封圈外的煤尘等污染物不会随空气的流动而进入密封圈内来腐蚀轴承；但停机后，气
压会下降，外界的大气压高于密封圈内的气压，此时强迫唇口展开包压在轴上，起到极好的密封效果，同时由于有自补偿的弹簧压环，能自动补偿密封件与轴间的相对磨损，延长了密封圈的寿命，保证密封长期工作的可靠性。
　　(2)优点
　　该种密封就结构来讲，结构简单，安装的径向尺寸小；就安装方式来讲，由于有金属骨架，整体尺寸小，安装简单，拆卸方便；就密封效果来讲，由于金属骨架的作用，其弹性变形量均匀，密封效果好；就使用寿命来讲，由于安装了自补偿的弹簧压环来补偿因密封唇与轴间的相对磨损，使用寿命更长。
　　改进后的托辊密封从密封效果上来看，更加有效地防止了润滑剂流失和有害物质的侵入，保证轴承能在有润滑无有害异物的状态下工作，轴承的寿命更长，大大提高了托辊的寿命。从结构上来讲，该种密封结构更加紧凑，安装更加方便，对托辊的整体设计十分有利。就其应用的范围来讲，该种密封可广泛推广应用于其它中高速旋转轴的机构中。