超高分子量聚乙烯托輥的理論研究

李惠

摘 要：普通金屬托輥產(chǎn)品僅適用于一般生產(chǎn)場(chǎng)合要求，而在對(duì)噪聲、靜電要求較高的礦井，使用壽命長(zhǎng)則6個(gè)月，短則1個(gè)月，給生產(chǎn)帶來(lái)了極大的制約和危險(xiǎn)，安全事故頻頻發(fā)生，造成較大的損失，同時(shí)能耗較高。鑒于托輥的使用數(shù)量和消耗能源的巨大性，對(duì)傳統(tǒng)金屬托輥的改造迫在眉睫。據(jù)此，我們根據(jù)國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，在普通金屬托輥的基礎(chǔ)上，通過(guò)技術(shù)、結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)備等創(chuàng)新，研制超高分子量聚乙烯托輥。文章主要介紹了對(duì)超高托輥理論研究的幾個(gè)方向，對(duì)下一步托輥試制及以后的生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。

關(guān)鍵詞：超高分子量聚乙烯；玻璃微珠；改性

1 現(xiàn)狀

托輥是帶式輸送機(jī)上的重要部件和易損件，其質(zhì)量好壞直接決定帶式輸送機(jī)的使用壽命和成本多少。目前國(guó)內(nèi)外帶式輸送機(jī)中普遍使用金屬托輥，它存在使用壽命短（約3萬(wàn)h）、運(yùn)行阻力大、托輥重量重、運(yùn)行噪音大等缺點(diǎn)。

非金屬高分子托輥是近年出現(xiàn)的一種新型產(chǎn)品，它是目前帶式輸送機(jī)行業(yè)對(duì)托輥向輕型化、超耐磨性要求和發(fā)展方面最理想的代替產(chǎn)品，國(guó)外此類產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的較早。我們國(guó)家近年有些企業(yè)也在開(kāi)發(fā)高分子托輥產(chǎn)品，但一直沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模。

我公司帶式輸送機(jī)上的托輥，現(xiàn)在使用的是鋼制的，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不易維修，其使用壽命一般只有3個(gè)月，使用中還容易“卡殼”，易銹蝕，故障率高。為此，我公司準(zhǔn)備用超高分子量聚乙烯塑料（UHMW-PE）制造皮帶運(yùn)輸機(jī)上的托輥。由于超高分子量聚乙烯塑料具有很好的耐沖擊、耐磨、耐腐蝕、自身潤(rùn)滑、吸振等特性，制成的超高分子量聚乙烯塑料托輥，其耐磨性好，使用壽命是鋼托輥的3～4倍；由于有自潤(rùn)滑功能，可以不用滾動(dòng)軸承，因而也不會(huì)發(fā)生“卡殼”，故障率低；耐腐蝕性能好，在潮濕和有浸蝕性環(huán)境下作業(yè)比鋼制托輥更具優(yōu)越性。但該產(chǎn)品不耐高溫，工況溫度應(yīng)在低于90℃下使用，在有防爆要求的工況下，必須采取有效的防靜電及阻燃技術(shù)措施。

2 超高分子量聚乙烯托輥研究方向

在皮帶機(jī)運(yùn)量和帶速確定的情況下，膠帶的水平運(yùn)行阻力的大小主要取決于托輥的阻力系數(shù)，因此，非金屬輕型化托輥的開(kāi)發(fā)主要在于：降低托輥?zhàn)枇ο禂?shù)，同時(shí)可以提高托輥使用壽命、改善皮帶機(jī)整機(jī)運(yùn)行條件和減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。超高分子量聚乙烯托輥的優(yōu)異的綜合性能使它成為鋼托輥的最佳的替代品。

2.1 性能

2.1.1 耐磨損性能

超高分子量聚乙烯（U HMW 2PE） 是一種新型的工程塑料， 它具有耐磨損、耐腐蝕、耐沖擊性能， 自潤(rùn)滑為銅的數(shù)倍。

2.1.2 沖擊性能

超高分子量聚乙烯的沖擊強(qiáng)度是既存塑料中最高值， 即使在- 70℃時(shí)仍有相當(dāng)高的沖擊強(qiáng)度。

2.1.3 自潤(rùn)滑

超高分子量聚乙烯具有很好的自潤(rùn)滑性能， 摩擦系數(shù)小， 如表1 所示。

表1 幾種材料摩擦系數(shù)的比較

2.1.4吸水率

超高分子量聚乙烯的吸水率在工程塑料中是最小的（見(jiàn)表2 所示）。

表2 幾種常見(jiàn)工程塑料的吸水率（%）

2.1.5 機(jī)械性能

表3 是超高分子量聚乙烯的機(jī)械性能與尼龍的比較。

表3 超高分子量聚乙烯和尼龍的機(jī)械性能

2.2針對(duì)超高分子量聚乙烯的特性， 結(jié)合鋼托輥的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行以下幾方面的研制。

2.2.1 超高分子量聚乙烯托輥輥殼研究方向

超高分子量聚乙烯雖然有許多優(yōu)良特性但也有許多不足：硬度低、強(qiáng)度低、耐熱性能差、有蠕變性等，為了彌補(bǔ)這些不足和進(jìn)一步提高其耐磨性可對(duì)其進(jìn)行填料（超細(xì)玻璃微珠、二硫化鉬、滑石粉、玻璃纖維、碳纖維、聚四氟乙烯）改性。

綜合考慮比對(duì)各種添加劑對(duì)超高分子量聚乙烯性能的影響，我們采用玻璃微珠對(duì)超高分子量聚乙烯進(jìn)行改性。玻璃微珠具有導(dǎo)熱系數(shù)低、質(zhì)輕、無(wú)毒、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐高低溫、電絕緣性和熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，而且在聚合物中的分散性也比較好。玻璃微珠與碳纖維相比，它是一種成本低廉、性能優(yōu)良的理想塑料填料，利用粉煤灰中的玻璃微珠不但能改善塑料等高聚物的綜合性能、降低成本，而且能減少環(huán)境污染，變廢為寶，利國(guó)利民。超細(xì)玻璃微珠添加到超高分子量聚乙烯中后，分散均勻，使其耐磨性好、應(yīng)力集中小、沖擊強(qiáng)度下降緩慢、硬度大、并能提高其剛度、抗壓性、阻燃性、提高加工性能等。通過(guò)參照劉光建老師的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合托輥生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，制定超高分子量聚乙烯與玻璃微珠之間的配比，使改性后所形成的托輥輥殼能夠滿足實(shí)際使用的需要，并較鋼托輥有很大的改進(jìn)。

2.2.2 托輥軸承座研究方向

托輥現(xiàn)在使用的軸承座是碳素結(jié)構(gòu)鋼，重量較大，托輥的運(yùn)行阻力相對(duì)也較大。如采用高分子材質(zhì)的軸承座，不僅能夠降低托輥的重量，同時(shí)減小它的運(yùn)行阻力。ABS樹(shù)脂具有良好的耐熱耐磨性、抗沖擊強(qiáng)度高、表面硬度高、尺寸穩(wěn)定、及電性能良好等特點(diǎn)，鑒于它優(yōu)良的綜合性能，采用ABS軸承座替代現(xiàn)用的軸承座，并通過(guò)對(duì)它結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，不僅降低了托輥的總重量，減小托輥的運(yùn)行阻力，從而提高托輥的整體性能。

2.2.3 提高托輥加工工藝可靠性研究方向

目前公司托輥生產(chǎn)的工藝比較老化，大多工序都要人工進(jìn)行操作，誤差較大，產(chǎn)品的可靠性和精度較差。因此，新型托輥要與國(guó)內(nèi)外相關(guān)廠家聯(lián)合開(kāi)發(fā)國(guó)際最先進(jìn)的全自動(dòng)輕型托輥生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)主輔分離、全自動(dòng)加工轉(zhuǎn)接裝配，輔線以軸、軸承座全自動(dòng)加工中心為主，主線完成托輥的全自動(dòng)裝配。配件實(shí)現(xiàn)高精度加工，托輥采用定程壓裝、全自動(dòng)焊接和裝配，在工藝上完全滿足托輥高精度裝配，保證生產(chǎn)出高品質(zhì)托輥。增加托輥成套檢測(cè)、試驗(yàn)設(shè)備，完全具備模擬工況的試驗(yàn)條件和產(chǎn)品數(shù)據(jù)的全面檢測(cè)分析，為托輥提供精確的設(shè)計(jì)依據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

超高分子量聚乙烯托輥與金屬托輥相比具有很大的優(yōu)越性。它具有較低的運(yùn)行阻力；具有很好的沖擊能吸收性，能有效地降低運(yùn)行噪聲，可以使帶式輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)運(yùn)距、大運(yùn)量、高速度的運(yùn)轉(zhuǎn)工作；使用壽命長(zhǎng)（一般在10萬(wàn)h以上），托輥重量輕（一般僅為同規(guī)格鋼托輥重量的 1/ 2～2/ 3），大大的降低了運(yùn)行成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，使安裝更換更方便，同時(shí)也減輕了托輥的使用維護(hù)量。

高分子量聚乙烯輕型托輥的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，理論上可以使托輥的阻力系數(shù)降低30%，使托輥旋轉(zhuǎn)重量降低50%以上、使用壽命至少增加一倍，并最大程度降低托輥的阻力系數(shù)。實(shí)現(xiàn)真正意義上的低阻力運(yùn)行，同時(shí)也會(huì)為我國(guó)在皮帶機(jī)傳動(dòng)計(jì)算理論方面產(chǎn)生重大變革。

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