随着国民经济的快速发展,中国已进入新的经济“转型期”。节能降耗的全民素质要求逐渐提上日程。“十三五”期间国务院总理李克强即在政府工作报告中提出了“绿色生产、节能降耗”要求。我国国民经济从新中国成立时期的粗放型经济产业模式先后经历了半个多世纪过渡到了二十一世纪节能、集约型产业模式。这种历史性的工业革命变迁在证明中国综合实力在得到了长足发展的同时也为科技的发展方向指明了道路。我国煤炭行业的发展经历了从小型个体的无序开采阶段到经济整合建立大型煤炭集团进行计划、有序采矿的阶段耗费了近六十多年的光阴。但是我国煤炭的开采效率、资源利用率及防污、控污能力与国外同行业相比仍旧相差甚远。究其根源,仍可归咎为思想观念落后以及矿山机械设备的科技研发技术与手段不先进。经过几十年的艰苦奋斗,我国科学技术水平发展已达到新的高度。矿山机械设备经过也随之不断更新换代。相比以前,现有的矿山设备操作更为智能,结构更为紧凑。带式输送机作为主要的矿山机械设备,其能耗和运行成本始终是该行业关注和改进结构设计的重点。托辊作为带式输送机的主要能耗部件(特别是对于长距离、大运量输送机),其转动特性直接关系到输送机整机运行成本。托辊旋转阻力作为衡量其性能的主要指标其组成主要包括:滚动轴承组的摩擦阻力、充脂迷宫密封件之间的摩擦阻力及外部端盖与辊筒之间的摩擦阻力。其中滚动轴承组的摩擦阻力是托辊旋转阻力的主要组成部分,竟占到了80%~90%。因此研究托辊轴承的摩擦扭矩特性对改进托辊性能以至输送机运行效率及成本有着重要意义。本文在结合了现场调研及参阅了大量的相关文献之后重点分析与研究托辊实际工况时的各种影响因素与轴承摩擦扭矩特性之间的相关性。经过大量的实验与分析将影响因素主要分为了三种,包括:润滑脂填脂量、过盈装配应力及径向载荷。以上三种作为输送机托辊最为常见的影响因素,分析与研究其与托辊轴承之间的相关性对探索托辊轴承的最优填脂量范围、最优配合尺寸及输送物料重量区间以至优化托辊结构设计都有着重要意义。基于此,本文的具体研究工作如下:(1)基于Hertz接触理论分析与推导轴承滚动体与滚道之间的微观接触几何特性及参数,并基于滚动轴承的运动学特性对其进行拟动力学分析;基于Hertz弹性体点接触理论分析与推导轴承滚动体与内、外圈滚道之间接触域椭圆几何参数(包括椭圆长半轴、短半轴及面积)的计算方法,同时也给出相关概念(包括:第一类与第二类椭圆积分函数、接触点曲率、曲率和函数)的解释与计算。通过对上述滚动轴承点接触基本特性参数泰勒级数展开的计算过程分析,提出利用计算机软件数值分析软件通过设置最小控制量的数值迭代计算方法。通过对滚动轴承的运动特性分析对其进行运动学方程推导,给出滚动体公转与自转的角速度计算表达式。与此同时,提出滚动轴承应力循环次数及接触循环次数的概念并分别给出两者的计算方法。在滚动轴承拟静力学分析的基础上,将惯性因素考虑进去并提出滚动轴承拟动力学分析方法。同时利用计算机数值分析软件给出更为简单、快捷的求解方法。通过滚动轴承的拟动力学分析分别建立滚动体与保持架兜孔之间、保持架与引导套圈之间、润滑剂与轴承零部件之间的相互作用力方程,除此之外推导得出高速滚动轴承的惯性力及惯性力矩方程以及轴承滚动体的动力学方程。(2)分析与研究滚动轴承所有的摩擦来源并推导相关摩擦源的计算方法与公式;结合对滚动轴承的拟动力学分析,将轴承摩擦源分为:套圈材料弹性滞后引起的滚动摩擦、滚动体差动滑动引起的摩擦、滚动体自旋引起的摩擦、润滑剂黏性引起的摩擦(包括:油膜剪切摩擦与油气混合物的绕流阻力引起的摩擦)以及保持架与滚动体及套圈之间的相对滑动摩擦。为能够准确计算轴承总的摩擦扭矩,分别对以上大部分摩擦组份进行理论分析并给出各个部分的扭矩计算公式。对于轴承套圈材料弹性滞后引起的摩擦需要结合滚动体与滚道接触点处椭圆短半轴的长度,且在考虑套圈滚道在接触点前、后材料能量弹性滞回曲线的同时还需要引入弹性滞后系数αh,保证此扭矩值计算的准确性。滚动体差动滑动是滚动轴承所特有的摩擦特性,从概念上出发可以理解为:滚动体与滚道接触椭圆的面积因为速度方向不同的原因可分为三个部分,位于两纯滚动点之间的椭圆面积上的摩擦力与该两点分别至椭圆长半轴端点椭圆面积上的摩擦力方向相反,这意味着对接触椭圆面积上的应力积分必须分成三部分来计算所得计算结果才能准确。滚动体自旋是因为轴承内、外套圈轴线不重合且存在夹角时才会有的现象,又因为接触点处滚动体自旋的方向往往一致所以在计算此摩擦力矩时只需对接触椭圆面上的任意点的应力值进行全面积分即可求得。润滑剂黏性摩擦主要体现在润滑剂内部的剪切力以及由于温升而使其蒸发进而加剧了由轴承内部油气混合物的空气密度引起的绕流阻力矩,最终导致轴承摩擦扭矩增加,其值可由经验公式求得。保持架与滚动体及套圈之间的相对滑动摩擦与转速无关而与润滑剂粘度、填脂量以及轴承材料特性相关,因此对于跑合阶段完成的滚动轴承而言,此种摩擦力基本上是一固定值,其值也可由经验公式求得。(3)分析与研究填脂量对托辊轴承摩擦扭矩的影响;脂润滑作为滚动轴承润滑方式中最为广泛的应用方式,润滑脂填充量的多少会直接影响轴承的温升及摩擦扭矩。因此,需要首先分析脂润滑轴承的摩擦扭矩组成。根据脂润滑轴承摩擦特性将其摩擦扭矩组份分成:润滑脂的黏性摩擦阻力(润滑脂拖曳摩擦阻力和油气混合物的绕流阻力)、滚动体自旋摩擦阻力、保持架与滚动体及内、外套圈之间的摩擦阻力、热导致的滚动摩擦及热导致的滑动摩擦阻力,并对上述摩擦源分别进行分析与计算,最终给出脂润滑轴承的摩擦扭矩计算模型。从上述脂润滑轴承摩擦组成可以看出最后两项摩擦源是由填脂量导致轴承温度升高引起的。然而轴承温度升高又会改变润滑脂的流变特性,所以在研究填脂量与轴承摩擦扭矩之间的相关性之前首先需要对滚动轴承常用锂基脂的流变特性进行分析与实验。润滑脂流变特性实验分别包括润滑脂相似黏度与温度以及相似黏度与转子转速(剪切率)之间的关系并分别对实验结果进行拟合,最终给出相对应的拟合公式。搭建脂润滑轴承摩擦扭矩试验台进行填脂量实验,并将实验结果与所建模型进行对比,在验证模型计算精度的同时通过观察实验结果给出托辊轴承最优填脂量范围。(4)分析与研究过盈装配对托辊轴承摩擦扭矩的影响;正常情况下,轴承都会以过盈装配的形式被应用在托辊中。根据托辊的组装过程发现轴承外圈会与轴承瓦盒(轴承座)以及轴承内圈与轴颈之间均会采用尺寸过盈的装配形式。然而根据弹性力学关于配对厚壁圆环的配合应力与变形分析可知,轴承过盈装配必然会对轴承的摩擦扭矩产生影响。为分析装配应力与轴承摩擦扭矩之间的相关性,首先需要分析装配轴承的摩擦扭矩组成并给出装配轴承摩擦扭矩计算模型。考虑到过盈装配会使得其中某项轴承摩擦阻力会明显超过其他的阻力值,因此根据装配轴承摩擦特性将其摩擦阻力分为:套圈材料弹性滞后引起的滚动摩擦阻力和保持架与滚动体及套圈之间的滑动摩擦阻力,并分别对上述两种摩擦阻力进行分析与计算,最终给出装配轴承摩擦扭矩数学模型。为能够模拟轴承过盈装配,设计一种圆周径向力加载轴承座,同时能够通过压力传感器实现加载应力的显示与记录。搭建装配轴承摩擦扭矩试验台,基于上述装置通过实验测试将试验结果与所建模型进行对比,同时观察实验数据最终给出托辊轴承的最优配合尺寸范围。(5)分析与研究径向载荷对托辊轴承摩擦扭矩的影响;带式输送机正常工作状态下托辊转动特性会随输送带输送物料重量的不同而不同,即托辊旋转阻力大小与其承载重量紧密相关。考虑托辊轴承在垂直方向上的径向载荷会随承载重量的不同而影响轴承自身的摩擦扭矩,因此根据径向承载轴承摩擦特性分析将其摩擦阻力分为:轴承套圈材料弹性滞后引起的滚动摩擦阻力、滚动体差动滑动引起的摩擦阻力及保持架与滚动体及套圈之间的滑动摩擦阻力,并对上述三种摩擦阻力进行分析与计算,最终给出径向承载轴承的摩擦扭矩计算模型。为能够实现轴承在不同径向载荷下的加载设计一种轴承径向力加载装置,该装置要能够同时实现无极加载和载荷测量的基本功能。基于上述装置搭建径向承载轴承扭矩测试实验台进行实验测试,并将测试结果与所建模型进行比对同时观察实验数据给出托辊轴承最优径向承载范围。