托辊耐久性设计及其应用研究

托辊耐久性设计及其应用研究

王善忠   杨绍雷   李深

(德伯特机械(山东)有限公司   山东   济宁   273500)

摘要：   本文主要研究托辊耐久性设计及其应用，通过对托辊的设计、材料选择、加工工艺和应用等方面的探究，得出 了一些结论。研究表明， 在托辊的设计过程中， 应考虑材料的强度、耐磨性和韧性等因素， 同时应选择适当的加工工艺， 以确保托辊具有良好的耐久性和可靠性。此外， 在实际应用中， 需要注意托辊的使用环境和条件， 采取适当的维护措施， 以延长托辊的使用寿命。

关键词：   托辊；耐久性设计；零部件

易损坏，轴承具有承载能力和抗摩擦性能。当物料 经过托辊时，托辊轴承产生滚动摩擦力，将物料推 动向前，从而实现输送和储存的功能 [1]。

2   托辊耐久性设计

2.1    托辊设计原理及要求

托辊设计的主要原理是在不同的负载下承受物品 的质量，并在货物的滑动过程中减小摩擦力，使货 物在运输过程中更加稳定和顺畅。托辊的设计要求 是保证其具有良好的耐久性和可靠性，主要包括以 下几方面。

(1)材料的选择。选择合适的材料是托辊设计的 基础。托辊的材料应具有足够的强度、韧性和耐磨性， 以保证托辊在重载和恶劣环境下正常运行。常用的 托辊材料有钢、铝、塑料等，应根据具体的应用场 景和使用条件来确定。

(2) 结构的设计。托辊的结构应根据不同的负 载和使用环境进行优化设计，以保证其稳定性和耐 久性。托辊的结构设计主要包括轴承的尺寸和位置、 支撑点的位置和数量以及内部空隙的大小等。

(3) 强度的计算。托辊的强度计算是保证其安 全和可靠性的重要保障。托辊的强度计算包括轮轴、 轴承的静态和动态载荷计算、应力和变形分析、疲 劳寿命分析等。

(4)表面处理。托辊的表面处理是保证其耐磨性 和耐腐蚀性的关键措施。托辊的表面处理方法主要 有镀锌、涂装、喷涂等，应根据具体的应用场景和 使用条件来确定 [2]。

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2.2    材料选择与性能测试

托辊的材料选择是其耐久性设计中至关重要的一 环。根据托辊不同的用途和应用环境，可选择不同 的材料进行设计。常见的托辊材料有金属材料、塑 料材料、橡胶材料等， 其中金属材料是最常用的材料。 常见的托辊金属材料有碳钢、不锈钢、铝合金等；常 见的托辊塑料材料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。

在进行性能测试时，需要注意以下几个方面：

(1) 需要对材料的拉伸强度、屈服强度、冲击韧 性等指标进行测试。

(2)耐磨性测试。可通过磨损试验来评估材料的 耐磨性能。

(3)韧性测试。托辊在使用过程中可能会遇到意 外的冲击和挤压，因此其韧性也需要测试，可通过 冲击试验来评估材料的韧性。

在测试完成后，根据不同材料的性能指标，结合 托辊的使用环境和要求，选择最合适的材料进行托 辊的设计。若托辊需要在高温环境下使用，就需要 选择具有较高耐热性的材料进行设计；若托辊需要经 常在潮湿环境下使用，就需要选择具有耐腐蚀性的 材料进行设计 [3]。

在材料选择完成后，设计人员还需要对托辊的结 构进行设计，以保证其在使用过程中的稳定性和安 全性。具体的设计要求包括以下几个方面：

(1)尺寸设计。托辊的尺寸应根据使用需求进行 设计，需要考虑托辊的载荷、运行速度等因素，以 确保托辊在使用过程中的稳定性。

(2) 轴承设计。轴承是托辊运行的关键部件，需 要进行合理的设计以确保托辊在运行时的稳定性。 轴承应根据托辊的负载和使用条件进行选择。

(3) 强度计算。在设计过程中，需要进行托辊的 强度计算。强度计算的目的是确保托辊在使用过程 中不会出现破坏现象。

(4) 进行托辊的制造和测试。在制造过程中，需 要严格按照设计要求进行制造，确保托辊的制造质 量符合要求。

2.3    托辊加工工艺

常见的托辊加工工艺有焊接、铸造、锻造、注塑等。

(1)焊接是一种将金属材料加热至熔点，使其熔 合在一起的加工工艺。托辊的焊接通常采用氩弧焊 和电阻焊。氩弧焊适用于厚度大于 1.5mm 的金属板 材，具有焊缝美观、强度高的优点。电阻焊适用于

托辊轴承座和连接板的焊接，优势在于可以使用不 同材料进行焊接、生产效率高、成本低、可以焊接 大型的托辊。其缺点是焊接热量对材料有影响，可 能导致材料变形或者变质，焊接强度受到焊缝的影 响，易发生裂纹和疲劳。

(2)铸造是将熔化的金属或者非金属注入模具中， 通过冷却凝固而成的加工工艺。托辊的铸造通常采 用砂型铸造和压铸工艺。砂型铸造适用于托辊的大 规模生产，具有生产效率高、成本低的优点。压铸 适用于小型、精密的托辊生产，具有精度高、表面 质量好的优点。同时，铸造过程中可能产生气孔、 缩孔等缺陷。

(3) 锻造是通过施加压力和变形，将金属材料 加工成所需形状的加工工艺。托辊的锻造通常采用 冲压、旋压和滚压等工艺。冲压适用于托辊的轻微 形变和孔洞加工，旋压适用于直径较小的托辊，滚 压适用于大型托辊的制造。锻造后的托辊具有较高 的强度和韧性，表面质量好，不易出现气孔和缺陷， 可以制造形状较为复杂的托辊，但是生产周期长、 成本高。

(4)注塑是将塑料或橡胶等材料加热至熔点后注 入模具中，冷却后成型的加工工艺。托辊的注塑通 常采用热流道注塑和冷流道注塑。热流道注塑适用 于高精度的托辊制造，具有表面质量好、材料利用 率高的优点。冷流道注塑适用于托辊的大规模生产， 具有生产效率高、成本低的优点。但是材料仅限于 塑料和橡胶等，生产的托辊强度和耐磨性较差 [4]。

综合比较，不同加工工艺各有优缺点：焊接工艺 适用于大型托辊和不同材料托辊的焊接，但容易出 现材料变形和焊缝强度低的问题；铸造工艺适用于托 辊的大规模生产，但容易出现缺陷且铸造强度低；锻 造工艺适用于高强度、复杂形状的托辊制造，但成 本较高，周期较长；注塑工艺适用于托辊的大规模生 产，但强度和耐磨性较差。因此，需要根据实际情 况选择适合的加工工艺，确保托辊的质量和性能。

3   托辊耐久性测试

3.1    托辊耐久性测试原理

托辊耐久性测试是检测托辊在使用过程中的性能 和寿命。其基本原理是通过施加负载、模拟使用环 境等方式，对托辊进行各种试验，以确定其在一定 条件下的性能和寿命。常见的托辊耐久性测试方法

包括负载试验、摩擦试验和疲劳试验等 [5]。

(1)负载试验是通过对托辊施加一定负载，检测 其承载能力的试验。其基本原理是在实验室环境中， 通过模拟托辊在使用中的负载情况，对托辊的承载 能力进行测试。在测试中，将托辊放在负载试验机上， 施加一定的负载，观察托辊的变形情况和承载能力， 并记录相关数据。该测试可以直观地反映托辊的承 载能力和变形情况，为托辊的设计和生产提供重要 的参考数据。

(2)摩擦试验是通过模拟托辊在使用过程中的摩 擦情况，测试其摩擦性能的试验。其基本原理是在 实验室环境中，将托辊放在测试台上，施加一定的 负载和转速，测试托辊的摩擦系数和磨损情况。在 测试中，记录托辊的摩擦力和磨损情况等参数，评 估托辊的耐磨性和摩擦性能，并为托辊的设计和生 产提供参考数据。

(3)疲劳试验是通过模拟托辊在使用过程中的 疲劳情况，测试其耐久性的试验。其基本原理是在 实验室环境中，通过模拟托辊在使用过程中的重复 负载和变形，测试托辊的耐久性。在测试中，将托 辊放在疲劳试验机上，施加一定的负载和变形次数， 测试托辊的疲劳寿命和变形情况，并记录相关数据。 该测试可以评估托辊的耐久性和使用寿命，并为托 辊的设计和生产提供参考数据 [6]。

3.2    托辊耐久性测试结果分析

3.2.1    钢制托辊

钢制托辊是一种常见的托辊材料，其优点是强 度高、承载能力大、耐磨性好等。在负载试验中， 将不同负载施加在钢制托辊上，观察其变形情况和 承载能力。结果显示，在负载较低的情况下，钢制 托辊具有较好的承载能力和稳定性；但在负载较高 的情况下，钢制托辊容易产生变形和裂纹。在摩擦 试验中，将不同转速和负载施加在钢制托辊上，测 试其摩擦系数和磨损情况。结果显示，钢制托辊具 有较好的耐磨性和摩擦性能。在疲劳试验中，将不 同负载和变形次数施加在钢制托辊上，测试其耐久 性。结果显示，钢制托辊具有较长的疲劳寿命和较 好的耐久性。

3.2.2    铝合金托辊

铝合金托辊是一种轻质高强度的托辊材料，具有 较好的耐腐蚀性和可塑性。在负载试验中，将不同 负载施加在铝合金托辊上，观察其变形情况和承载

能力。结果显示，铝合金托辊的承载能力较小，且 容易发生变形。在摩擦试验中，将不同转速和负载 施加在铝合金托辊上，测试其摩擦系数和磨损情况。 结果显示，铝合金托辊的耐磨性较差，且容易出现 磨损。在疲劳试验中，将不同负载和变形次数施加 在铝合金托辊上，测试其耐久性。结果显示，铝合 金托辊的疲劳寿命较短，容易出现断裂和变形。

3.2.3    塑料托辊

塑料托辊是一种轻量化的托辊材料，具有良好的 耐腐蚀性和耐磨性。在负载试验中，将不同负载施 加在塑料托辊上，观察其变形情况和承载能力。结 果显示，塑料托辊的承载能力较小，但变形较小， 可以保持较好的稳定性。在摩擦试验中，将不同转 速和负载施加在塑料托辊上，测试其摩擦系数和磨 损情况。结果显示，塑料托辊具有较好的耐磨性， 但摩擦系数较低。在疲劳试验中，将不同负载和变 形次数施加在塑料托辊上，测试其耐久性。结果显示， 塑料托辊的疲劳寿命较长，但容易出现疲劳裂纹和 断裂。

3.3    测试结论

针对上述测试结果及分析，得出如下结论：

(1)在承载能力和稳定性方面，钢制托辊具有较 好的性能，但在负载较高的情况下容易产生变形和 裂纹；

(2)在轻量化和耐腐蚀性方面，铝合金托辊具有 优势，但承载能力和耐磨性较差，疲劳寿命较短；

(3)在耐磨性和疲劳寿命方面，塑料托辊具有优 势，但承载能力和摩擦性能较差。

由此可见，钢制托辊的综合性能较好，具有较好 的耐久性和可靠性，但在负载较高的情况下需要注 意变形和裂纹的问题。当轻量化和耐腐蚀性要求较 高时，可以选择铝合金托辊，但需要注意其承载能 力和耐磨性。如果需要托辊具有较好的耐磨性和疲 劳寿命，则可以选择塑料托辊，但需要注意其承载 能力和摩擦性能。最终的选择需要根据具体应用场 景和需求进行综合考虑。

4    托辊应用案例分析

4.1    应用案例

托辊设计采用优质的碳素钢材料，材质牌号为 Q235 ，因其具有良好的强度、硬度、韧性和耐磨性， 适用于托辊的制造。该托辊将用于物流设备中的输

送带系统，用于支撑、滚动并传输物品。

设计过程：首先确定托辊的尺寸和轴承孔位置， 然后进行强度计算。根据计算结果，设计出托辊的 结构，并考虑材料的选择和加工工艺。在设计过程中， 还要考虑到托辊的应用环境和使用条件，以确保托 辊具有良好的耐久性和可靠性。

经过计算和测试，该托辊的承载能力达到了设计 要求，可以承受所需的负荷并具有足够的强度和刚 度。经过实际应用，该托辊具有优异的耐久性和可 靠性，能够在高强度和高频率的工作环境下保持长 期稳定的运行状态。

托辊的尺寸具体如表 1 所示。

表 1    托辊尺寸

4.2    具体应用效果和问题

以某企业为例，托辊的使用效果良好，能够满足 物流业务的需求。托辊在货物搬运、装卸和存储等 方面发挥了重要的作用，能够提高物流效率和安全 性。但在实际使用中也存在一些问题，主要表现在 以下几个方面：

(1)耐久性不足。托辊在使用中频繁受到冲击和 磨损，部分托辊的耐久性不足，容易产生变形、裂 纹等。

(2)维护不及时。由于物流业务的高强度和紧迫 性，企业往往忽视托辊的维护和保养工作，导致托 辊出现了一些常见的故障问题，例如托辊轮子的磨 损、螺丝松动等。

(3)承载能力不足。在面对大型货物或者超载的 情况下，托辊的承载能力不足，导致托辊变形或者 破裂等。

4.3    改进建议

针对以上问题，主要从以下几点出发进行改进：

(1)选用高质量的托辊。企业应该优先选用质量 好、耐用的托辊，以提高托辊的耐久性和稳定性。

(2)加强托辊维护工作。企业应该制定定期维护

计划，及时对托辊进行检查和保养，保证托辊正常 运行，延长使用寿命。

(3)根据货物类型选用适当的托辊。不同的货物 类型需要选用不同的托辊，企业应该根据货物的质 量、尺寸和包装形式等选择适当的托辊，以保证托 辊的承载能力和稳定性。

(4) 加强人员培训。企业应该加强员工的操作 培训，让员工掌握正确的托辊操作流程和注意事项， 减少误操作和损坏托辊等情况的发生。

(5)优化物流管理系统。企业应该建立完善的物 流管理系统，优化物流配送和仓储管理流程，减少 托辊的运行次数和距离，降低托辊的损坏和磨损。

5    结语

托辊是物流业务中不可或缺的设备之一。在使用 托辊的过程中，发现托辊的耐久性是影响其应用效 果的重要因素。因此，对于托辊的耐久性进行研究 具有重要意义。通过科学合理地设计和制造，可以 提高托辊的耐用性和稳定性，从而满足物流业务的 需求，同时也可以降低企业的维修和更换成本，提 高生产效率和利润。未来，随着物流业务的不断发 展和智能化趋势的加速推进，托辊的设计和应用也 将不断创新，为物流业务的高效、安全、可持续发 展做出更大的贡献。

参考文献：

[1] 武 国平 . 带式输送机托辊故障检测方法 [J]. 工矿 自动 化 ,2023,49(02):149-156.

[2] 李志强 , 杨杰 . 基于精益管理的托辊连续流产线建设 [J]. 煤矿机械 ,2023,44(02):122-124.

[3] 冀鹏飞 . 带式输送机承载托辊旋转阻力特性试验研究 [J]. 机械管理开发 ,2023,38(01):44-46.

[4] 董瑞佳 . 基于迁移学习和 DenseNet 的带式输送机托辊故 障检测方法 [J]. 煤炭技术 ,2023,42(01):250-252.

[5] 郝晓平 . 带式输送机托辊故障检测技术研究 [J]. 机械管 理开发 ,2022,37(12):121-122+125.

[6] 李晖 . 带式输送机托辊用铸型尼龙复合材料力学性能研究 [J]. 山东煤炭科技 ,2022,40(10):130-132+135.