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基于磁悬浮技术的带式输送机托辊结构设计

作者:四川天屿翔机械设备有限公司 浏览: 发表时间:2024-02-27 15:57:34

近几年,我国提出了“节能减排”战略,为响应此号召,关于物料输送的环保问题颇受重视。常见带式输送机由于具有输送距离长、输送效率高的优点,被广泛应用到各行各业。然而当输送距离变长或者运输重量加大时,带式输送机的托辊结构之间就会出现摩擦,从而使能量损耗加大、运输速度减慢。根据不完全统计,带式输送机在工作的过程中,主要的能量损耗 都来源于托辊与设备间的相互接触产生的摩擦力,对于物料运输工作而言,这种能耗是无用的。造成上述问题的关键在于普通托辊中轴承间的摩擦力会给托辊旋转增加难度,从而加大了能耗,降低了运输效率。因此,磁悬浮托辊结构能有效解决带式输送机运输过程中的摩擦能量损耗,能在很大程度上增加利润效益、降低环境污染。

 

1     磁悬浮托辊结构设计与分析

 

1.1   带式输送机总体结构形式

 

带式输送机结构如图1所示,其主要结构有输送带、滚筒、托辊、支架、料仓等。其运输原理如下:利用滚筒与输送带接触从而相互之间产生的摩擦力,来使输送带获得一个向前的驱动力,承载着物料进行输送工作。其中,根据与输送带接触产生的摩擦力驱动托辊结构旋转。托辊的主要作用是为输送带和物料提供一个承载力。


 

1.2   带式输送机普通托辊结构形式

 

2为普通托辊结构的示意图,它的主要结构组成有外皮、转轴、密封装置、轴承、底座等。作为一种常见的承载结构,托辊的工作原理如下:轴承内圈、内密封圈和小端盖与中心轴固定,不随外皮的转动而转动;但是,轴承外圈、底座、外密封圈和大端盖随外皮旋转。对于中心轴,它的结构比较简单,上下两端与外接支架相连。托辊的另一个重要结构就是密封装置,它能在一定程度上影响托辊的工作性能以及使用寿命。


 

2     磁悬浮托辊结构及工作原理

 

磁悬浮托辊结构组成如图3所示,它的构造相对简单。与一般的托辊结构相比,磁悬浮托辊的工作原理大体不变。如图3 所示,若只有由永磁体产生的磁力,则转子将无法平稳悬浮。然而,必须通过深入研究,在永磁体材料系列中增加了逆磁场与超导技术现象等手段,方可达到永磁体材料与静磁场之间的均匀稳定浮力。而尽管如此,若要实现磁悬浮列车中托辊转子的正常工作,除在径向上引进了永磁体材料的轴承型式之外,还必须在轴向引进其他的辅助支撑装置。即按照永磁体材料轴承型式的工作特性,当永磁材料轴承的内外磁环在轴上都有相应的方向移动时,内外磁环之间的空隙就会随位移方向而产生轴流式推力。针对于永磁体材料轴承行业型式来说,这些轴流式推力也是一种影响因素,使它们变得不平衡。在磁悬浮托辊结构中,通过设计了适当的轴向运动长流量调节机构,能够改变永磁材料轴承式内、外磁环轴流式长的相对偏移量。使永磁轴承式所形成的轴向流动推力与推力球轴承相结合,从而实现了轴流式的支撑功能。也因此,提出了磁悬浮托辊的主要支承方法,并研究出了这种微摩擦型磁悬浮的托辊构造。


 

3     永磁轴承结构及磁路设计

 

永磁轴承的工作原理是借助永磁体之间产生的引力或者斥力,使得转子能够实现空中悬浮的效果。同时,永磁轴承还具备许多优点,它几乎无摩擦力、使用寿命久、能耗较低、工作时无杂音。在设备的高效率运转以及节能减排方面都有着十分不错的表现。

 

在永磁轴承的分类上,主要分为轴向永磁轴承和径向永磁轴承两大类,本文采用径向永磁轴承。在永磁材料的选择上,选择了高性能的稀土材料。径向永磁轴承的结构主要由动磁环和静磁环组成,其中静磁环是与外壳接在一起保持不动,而动磁环则与转子相结合,跟随转子的转动而运动。

 

4- 1 为吸力式径向永磁轴承。在内磁环和外磁环的相邻两侧,永磁环本身的退磁强度会减小,自然磁力也会相应减小。作为斥力径向永磁轴承(见图4- 2),永磁环本身的退磁强度会增大,从而磁力也会相应增大,因此后者能够在工作中发挥出不错的效果和更高的支承性能。


 

4     磁悬浮托辊的承载特性实验研究

 

4.1   承载特性实验原理

 

对于磁悬浮托辊来说,承载特性的好坏直接关乎托辊的工作性能。在磁悬浮托辊中应用的永磁轴承在工作时并非直接接触到设备上,而是留有了一部分空隙。同时,在具有一定的工作气隙的情况下,要具备较大的支承刚度才能达到正常工作的目的。因此,开展磁悬浮托辊的承载特性实验,从而检验它的各项工作性能能否达到预期是十分必要的。

 

在磁悬浮托辊中采用的永磁轴承具有外磁环列与内磁环列,其中内磁环列与中心轴内接到一起而不转动,外磁环列则与底座一同与外表皮连接,其跟随辊皮的转动而运动,主要原理图如图所示。该实验的具体安排如下:为了提高磁悬浮托辊的承载能力,在本实验中持续施加砝码的质量。在施加外载荷时,外磁环和辊皮在重力作用下发生位移。随后应用位移传感器来测出它的位移长度,然后总结它的承载特性规律。本次实验设置了两个传感器,一个用来测量前径向轴承的位移,另一个则用来测量后径向轴承的位移,最终将示波器中的电压变化转变成位移的变化。

 

4.2   承载特性实验过程

 

本次实验的简要过程是在磁悬浮托辊上不断增加砝码,来改变其承载情况,进而模拟现实中的托辊工作情况,然后根据示波器和传感器的相互配合,来得到永磁轴承的承载特性。根据理论计算数值可以知道,托辊在正常工作时其所承受的载荷大约在230 N。再次,将各种型号砝码相互组合进行加载实验,从0~20 kg 结束,每过1 kg 就增加一次载荷,也就是托辊的受力情况在0~200 N 范围内变化,然后针对前后径向永磁轴承的位移变化大小,分别进行测量。

 

根据以上实验结果可以知道,本次实验计算的理论刚度对比实际测量的刚度会有一定的误差。其主要影响因素大致可分为两方面,一方面是采用理论数值计算时忽略了漏磁等因素;另一方面是因为永磁轴承由相互叠加的永磁环组合在一起得到的各个永磁环都会有一定的斥力, 因此彼此之间想要紧密叠加在一起很难,总会具有一定的缝隙;再者,关于永磁体的加工精度等问题也有待考究。但是,观察图5kr为承载刚度),尽管存在误差,在位移达到了0.3 mm左右时与实际情况还是非常契合的。因此可以得出结论,本文所研究的磁悬浮托辊在承载特性方面能够满足工作要求。

 

5      结语

 

相关行业人士将托辊结构比作带式输送机的“心脏”,作为国内最常见的承载方式,它关乎到了带式输送机整体的输送性能。


 

普通的托辊结构采用的是机械轴承,在正常工作时不仅仅是自身有阻力,同时在与其他部件接触时同样有阻力,这样不但降低了运输效率,还需要耗费更多的时间进行维护修理工作。本文研究的磁悬浮托辊结构来承载输送带不仅好地解决了上述问题,还能为相关行业人士的研究提供依据。


 

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