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。
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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