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具有防水、防塵并保持低阻性能的煤礦用阻燃和抗靜電改性超高分子量聚乙烯托輥研制 —— 文章正文
目前，煤礦井下用帶式輸送機托輥普遍存在如下技術(shù)缺陷：管體不能適應(yīng)煤礦井下粉塵、淋水、腐蝕、物料粘附等惡劣運行環(huán)境，托輥密封不能顯著阻隔粉塵、淋水、浸水及腐蝕物對軸承和潤滑脂的侵害，托輥的裝配生產(chǎn)工藝因精準性不足導(dǎo)致托輥的徑向跳動、軸向竄動量及旋轉(zhuǎn)阻力較大等。上述技術(shù)缺陷顯著地影響了托輥的壽命及運行維護周期，降低了托輥運行的安全可靠性和經(jīng)濟性能，進而降低了煤礦井下用帶式輸送機運行的安全可靠性和經(jīng)濟性，是帶式輸送機設(shè)計和生產(chǎn)行業(yè)急待進行理論研究和工藝設(shè)計技術(shù)開發(fā)的課題。
通過對前期國際、國內(nèi)帶式輸送機托輥研發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)行業(yè)對托輥研發(fā)與生產(chǎn)工藝設(shè)計研發(fā)結(jié)果的總結(jié)與分析，確立了提高煤礦井下用帶式輸送機托輥運行安全可靠和經(jīng)濟性能，可通過以下技術(shù)途徑來實現(xiàn)：研制符合《煤礦用托輥技術(shù)條件》的阻燃和抗靜電改性UHMW-PE管體，創(chuàng)新設(shè)計具備防水、防塵且可保持低阻性能的托輥密封結(jié)構(gòu)以及簡潔、精準的托輥裝配與生產(chǎn)工藝。
一．UHMW-PE的阻燃、抗靜電及易加工復(fù)合改性混配工藝及其管材單螺桿連續(xù)擠出生產(chǎn)工藝研究
UHMW-PE通常指粘均分子量在150萬以上的線性結(jié)構(gòu)聚乙烯（普通聚乙烯的分子量僅2～30萬），是一種線性結(jié)構(gòu)的具有優(yōu)異綜合性能的熱塑性工程塑料，具有普通塑料和其它工程塑料所無可比擬的耐沖擊、耐磨損、自潤滑、耐化學腐蝕、衛(wèi)生無毒、不粘附、不易吸水、密度小、低摩擦系數(shù)等綜合優(yōu)異性能，其中耐磨性、耐沖擊性、自潤滑性、耐化學腐蝕性及沖擊能吸收性這五個特性為現(xiàn)有塑料中最高的，但因其阻燃性能差，極限氧指數(shù)（LOI)只有17.5（氧指數(shù)小于21的聚烯烴屬于易燃塑料），同時其體積電阻率非常高，為1×1017～1×1018Ω·cm，所以其雖然具有優(yōu)異的綜合性能，卻不能符合煤礦用材料阻燃和抗靜電等強制安全技術(shù)指標的要求，另由于其熔融粘度極高，導(dǎo)致其規(guī)?；尚图庸だщy，因而，需對其進行阻燃、抗靜電和易加工復(fù)合改性，才能實現(xiàn)其符合煤礦用材料安全技術(shù)指標要求，并實現(xiàn)規(guī)?；庸どa(chǎn)。
UHMW-PE的阻燃、抗靜電及易加工復(fù)合改性采用了無鹵阻燃抗靜電改性方法，其為將100份的超高分子量聚乙烯、5-15份導(dǎo)電材料、1-5份聚磷酸銨、0.1-10份聚硅氧烷、1-10份納米阻燃劑、1-10份聚合物界面橋粘劑、1-8份分散劑以及0.5-4份抗氧化劑經(jīng)反應(yīng)釜進行混配，然后將混合物用單螺桿擠出機擠出成型管材。配方中的導(dǎo)電材料選自炭黑、石墨和銅粉中的一種或一種以上的混合物，聚磷酸銨是晶體結(jié)構(gòu)為Ⅱ型的聚磷酸銨，聚硅氧烷選自聚二甲基硅烷、聚甲基苯基硅氧烷和線性硅氧烷-乙炔共聚物的一種或一種以上的混合物，納米阻燃劑選自粒徑為10-100納米的二氧化硅、滑石粉和氫氧化鎂中的一種或一種以上的混合物。
所采用的阻燃劑有別于有鹵阻燃劑和傳統(tǒng)的無鹵膨脹型阻燃劑，而采用納米阻燃劑協(xié)助磷系和硅氧系阻燃劑阻燃，納米粒子可充分分散在碳化層中起著骨架的作用，使生成的碳化層具有較好的剛性與強度，對新生碳中孔洞的裂縫起封閉的作用，減少碳層裂紋和溝槽，提高碳層的質(zhì)量，并解決了有鹵阻燃和傳統(tǒng)的無鹵阻燃膨脹型阻燃劑與高熔體粘度的UHMW-PE基體不相容及在擠出成型過程中容易析出聚集在管材表面而堵塞擠出口模的問題。
納米阻燃劑在以下三個方面具有不同于普通阻燃劑的特殊的阻燃性能。一是多相抑制作用，即隨著粒徑的減小，比表面積的增大，阻燃顆粒與外界的接觸面積增加，為反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的自由基提供了更多進行復(fù)合的場所，有效地減少了自由基，達到了抑制鏈反應(yīng)的目的。二是均相抑制作用，是指充分分散的納米阻燃劑在火焰中均勻分解、氣化、產(chǎn)生游離基，進入氣相，在短時間內(nèi)與燃燒物產(chǎn)生的游離基充分作用而終止反應(yīng)鏈。三是滅火機理，由于納米顆粒較普通尺寸顆粒低，可在火災(zāi)初期吸收大量的熱能使燃燒反應(yīng)鏈不能持續(xù)下去而滅火。
抗靜電劑只能使UHMW-PE的表面電阻略有下降，添加大量的無機導(dǎo)電材料可以使UHMW-PE的表面電阻下降明顯，但同時造成材料的可加工性和機械性能急劇惡化。現(xiàn)采用橋粘劑增容UHMW-PE導(dǎo)電材料體系，使UHMW-PE基體與導(dǎo)電材料的界面結(jié)合牢固，實現(xiàn)了在只添加少量導(dǎo)電材料的情況下，就能在UHMW-PE基體中形成雙導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的效果。
UHMW-PE的阻燃抗靜電改性是一個復(fù)雜的物理化學過程，需要阻燃劑、抗靜電劑的共同作用，而阻燃劑和抗靜電劑的作用機理不同。因此，在研究UHMW-PE的阻燃抗靜電過程中，需要注意抗靜電劑、阻燃劑與UHMW-PE樹脂的相容性。阻燃劑、抗靜電劑的作用效果與其在UHMW-PE樹脂的相容性有很大關(guān)系，相容性好，則可以起到預(yù)期的作用；相容性不好，則相當于在樹脂中加入了雜質(zhì)，會影響到樹脂的其它性能，也起不到預(yù)期的阻燃抗靜電作用，所以添加劑必須能長期穩(wěn)定、均勻地存在于樹脂中。對于無機添加劑來說，要求無機物粒徑細小、分散性好，這樣才可以與樹脂很好地配混；對于有機添加劑，則要求其有相似的結(jié)構(gòu)，這樣才可使添加劑與樹脂有較好的相容性，否則在長期的使用過程中添加劑會從樹脂中析出（噴霜或滲出）。阻燃劑、抗靜電劑與UHMW-PE樹脂間較好的相容性除了對阻燃抗靜電有較好的效果外，還會有較好的耐久性，經(jīng)長時間洗滌而不會破壞其阻燃抗靜電性能，這對阻燃、抗靜電UHMW-PE具有更積極地意義。
阻燃、抗靜電及復(fù)合改性UHMW-PE管材的加工工藝設(shè)計為單螺桿連續(xù)擠出，主要是UHMW-PE的復(fù)合改性劑中包括了復(fù)合流動改性劑，可明顯降低其熔體黏度，提高其流動性，其加工性能明顯改善，可滿足螺桿擠出加工工藝對材料性能的要求，此外，螺桿擠出加工工藝還可實現(xiàn)加工過程中對原料的進一步共混，保證加工出的型材性能指標的穩(wěn)定，尤其是阻燃、體積電阻率以及幾何尺寸、表面光潔度等關(guān)鍵性指標的穩(wěn)定，同時，通過系列模具的轉(zhuǎn)換可實現(xiàn)不同類型、不同規(guī)格型材（包括管材、棒材、板材及異型材）的連續(xù)擠出，達到規(guī)?；?、高效率、高成品率等技術(shù)生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化的要求。
改性UHMW-PE單螺桿連續(xù)擠出生產(chǎn)工藝主要工序如下圖：
UHMW-PE阻燃和抗靜電改性前后的主要技術(shù)與性能指標為：
| 序號 | 指標名稱 | 雙抗UHMWPE | 純UHMWPE | 測試標準 | |
| 1 | 粘均分子量（104） | 100-200 | 300-500 | GB/T1841—1980 | |
| 2 | 密度（g/cm3） | 1.07 | 0.94 | GB/T1033—1986 | |
| 3 | 拉伸屈服強度（M Pa） | 22.06（橫向） | 22-25 | GB/T1040—1992 | |
| 21.71（縱向） | |||||
| 4 | 拉伸強度（M Pa） | 22.08（橫向） |
30-35 | GB/T1040—1992 | |
| 26.33（縱向） | |||||
| 5 | 拉伸斷裂延伸率（%） | 481.95（橫向） | 350 | GB/T1040—1992 | |
| 590.0（縱向） | |||||
| 6 |
懸臂梁沖擊強度（KJ/m ） | 20℃ | 不斷裂 | 不斷裂 | GB/T1843—1996 |
| 7 |
表面電阻（Ω） | ≤6×106 | ＞1012 | MT558.1—2005 | |
| 8 | 阻燃性（s） | 有焰燃燒時間3s | 不阻燃 | MT558.1—2005 | |
| 無焰燃燒時間3s | |||||
阻燃和抗靜電改性UHMW-PE管材礦安檢測結(jié)果：
采用此工藝生產(chǎn)的阻燃、抗靜電改性UHMW-PE管材經(jīng)檢測符合煤礦用塑料管材的技術(shù)指標要求，可應(yīng)用于煤礦用帶式輸送機托輥管體，同時還可以應(yīng)用于煤礦給排水管道、復(fù)合壓力管等，實現(xiàn)了UHMW-PE在煤礦，特別是煤礦井下廣泛應(yīng)用的愿望，為煤礦新材料的應(yīng)用研究與開發(fā)提供良好的經(jīng)驗。
二．具有防水、防塵并保持低阻性能的帶式輸送機托輥密封原理及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工藝研究
經(jīng)對直通式密封結(jié)構(gòu)機理進一步研究，對密封結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵參數(shù)對流量系數(shù)的影響獲得了以下結(jié)論：
（直通式迷宮密封結(jié)構(gòu)示意圖）
- 隨著密封結(jié)構(gòu)進出口壓比（Pa/Po）的減小，流量系數(shù)Cd開始增加較快，然后逐漸趨于一個定值；
- 影響直齒迷宮結(jié)構(gòu)密封效率的參數(shù)主要是：齒間相對厚度（T/δ)、空腔數(shù)N、間隙厚度與空腔寬度之比（δ/W）及空腔深度比（H/W），影響規(guī)律為：
1）給定其它條件，流量系數(shù)Cd隨T/δ的變化存在極大值；
2）在一定范圍內(nèi)增加齒數(shù)N可以降低泄露量，但超過某一齒數(shù)后（N=6)效果就不明顯了；
3）給定結(jié)構(gòu)總長度，存在著使泄露量最小的最佳空腔數(shù)或空腔寬度；
4）臨界流量系數(shù)隨著δ/W的增大而增大；
5）過分加深空腔并不能提高迷宮式密封結(jié)構(gòu)的密封性能，空腔深度比H/W≈0.3時，臨界流量系數(shù)Cd最小，密封效果最好；
6）迷宮式密封結(jié)構(gòu)中第一級的密封效率對整個結(jié)構(gòu)的密封總效率是重要的；
3.齒形對密封效率有影響：
1）齒形背部呈凹面對密封不利；
2）曲面不優(yōu)于平面；
3）尖邊緣或尖角對密封有利；
4）非對稱齒形的齒尖朝來流方向前傾明顯提高密封效果。
4.梯形齒與斜齒結(jié)構(gòu)密封效率及工藝性能比較好，是定常流工況下應(yīng)優(yōu)先采用的齒形，其中對35°<β<90°時，梯形齒傾角愈小，密封效率高，而斜齒的傾斜角45°（同時直齒尖朝來流方向前傾45°角）左右時，密封效率最佳；
5.迷宮密封中的節(jié)流過程和動能耗過程決定了其密封性能，為了提高密封性能，必須使節(jié)流間隙足夠小且短（一般為0.2+0.6d/1000mm，d為旋轉(zhuǎn)軸的直徑），間隙長度（或齒厚）通常小于0.5mm，以使壓力能夠充分地轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣饶?，同時，還要求節(jié)流間隙后的空腔足夠大（齒間距一般為5~9mm），以使有足夠大的空間來形成正確的渦流，使動能盡可能多地耗散為熱能。
此外，對密封所裝配設(shè)備的轉(zhuǎn)速對密封性能的影響進行了實驗分析，獲得了以下結(jié)論：
密封齒裝在動部位，設(shè)備周轉(zhuǎn)速小于20米/秒時，旋轉(zhuǎn)運動對泄露量的影響很小，可忽略不計；密封齒裝在禁止部位，周轉(zhuǎn)速低于70米/秒，設(shè)備旋轉(zhuǎn)影響可忽略不計。根據(jù)《煤礦用托輥技術(shù)條件》給定，托輥轉(zhuǎn)速不得高于660轉(zhuǎn)/分鐘，換算為周轉(zhuǎn)速為1.56米/秒，因而，托輥旋轉(zhuǎn)對密封結(jié)構(gòu)的密封性能的影響可忽略不計。
基于密封泄露特性的基本原理以及影響密封流量系數(shù)的密封結(jié)構(gòu)組成的關(guān)鍵組件（密封齒和膨脹空腔)作用機理和帶式輸送機托輥實際工作環(huán)境中粉塵、污水等需阻隔流體的物理特性，并依據(jù)實現(xiàn)較小的流量系數(shù)的同時，保持密封結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、裝配簡潔、材料低廉、安全可靠等原則，經(jīng)采用計算機仿真和試驗等手段對通用型迷宮密封結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，密封優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容主要包括：
- 密封結(jié)構(gòu)組件的材料選用具有優(yōu)異物理性能的阻燃和抗靜電改性UHMW-PE材料；
- 密封齒齒尖設(shè)計為450角，增強節(jié)流效果；采用雙排齒，兩齒間距為前齒前腔距和后齒后腔距
；密封類型為無接觸式，齒間隙選擇0.2~0.3mm。設(shè)計時考慮到了煤礦用托輥運行環(huán)境中至少包括粉塵、礦井水兩種流體對托輥的侵害以及粉塵、礦井水等流體的不同物理特性和流動特點。 （3）密封組件的加工工藝設(shè)計為標準模具注塑成型。
（4）密封組件的裝配工藝設(shè)計為托輥軸向定位、組件模塊化組裝工藝。
密封結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化后選擇結(jié)構(gòu)為：
L.齒間距 t.齒厚 c.齒隙
所設(shè)計的新型直通式迷宮密封結(jié)構(gòu)經(jīng)計算機仿真和樣品經(jīng)標準試驗臺試驗，密封結(jié)構(gòu)對粉塵和淋水具有顯著的密封效果，但對浸水密封效果不顯著，為此，依據(jù)不增加密封組件數(shù)量和復(fù)雜度，同時，可實現(xiàn)同一密封結(jié)構(gòu)對粉塵、淋水、浸水同時具備顯著密封效果，并易于加工生產(chǎn)的原則，對托輥密封結(jié)構(gòu)進行了進一步優(yōu)化設(shè)計，即將密封組件中外密封件添加設(shè)計螺桿式向內(nèi)雙向螺旋密封（朝向來流方向后螺紋長度略長于前螺紋），在雙向螺紋間設(shè)置儲脂腔并加注防水密封潤滑脂的方法。
三.托輥簡潔、精準裝配生產(chǎn)工藝理論研究及工藝設(shè)計
在設(shè)計帶式輸送機托輥裝配生產(chǎn)工藝時，依據(jù)盡可能簡化生產(chǎn)工序，降低裝配難繁度，提高一次性裝配精度度和合格率，提高生產(chǎn)效率及有利于實現(xiàn)產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)指標質(zhì)量在線檢測等思想，因而，創(chuàng)新性地將托輥裝配生產(chǎn)工藝設(shè)計為：托輥零件標準化加工和過盈冷裝配生產(chǎn)工藝，其創(chuàng)新內(nèi)容主要包括以下內(nèi)容：
⑴．托輥所有零件和部件在總裝配前分別采用了有利于其加工簡潔性和精準度的模具沖壓或模具注塑或標準化生產(chǎn)等加工工藝，其中托輥軸在進入總裝配工序前已按照產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)采用模具拉光工藝進行加工，并進行了總裝配定位槽加工；密封零件、軸承座按照產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)分別采用模具注塑和沖壓工藝制造等，由于托輥零件無需在總裝配時進行二次加工或參數(shù)修正，為托輥實現(xiàn)簡潔、精準裝配提供了條件。
⑵．依據(jù)設(shè)計參數(shù)，托輥軸在加工中預(yù)先加工出托輥總裝配時各零件或組件裝配的軸向定位槽，軸承座與管體接觸面的外邊加工了直角擋邊，軸承座與管體采用液壓推送過盈冷連接方法并設(shè)定了油壓，可有效簡潔托輥總裝配時的裝配操作工序及降低裝配的難繁度。
⑶．依據(jù)托輥零件材料特性，采用軸承座與管體的過盈冷裝配方法，不需焊接，適應(yīng)了改性UHMW-PE熱變形溫度（≤85℃）低的特性，避免了因焊接對零件設(shè)計參數(shù)造成失真的缺陷，同時可有效修正改性UHMW-PE管材直線度和內(nèi)外圓度。
⑷．采用軸承座與管體的過盈冷裝配方法，有效地增加了軸承座與管體的結(jié)合面積與緊固度，可有效糾偏軸承的承載重心，有效降低托輥的徑向跳動和軸向竄動量。同時結(jié)構(gòu)上輔以徑向卡槽進行軸向定位，克服了改性UHMW-PE所具有的低摩擦與自潤滑性能有可能造成的軸承座與管體的脫位，提高了托輥的承載能力（特別是對于改性UHMW-PE泊松比較高可能導(dǎo)致軸向彎曲，降低承載能力問題）。
⑸．托輥過盈冷方法將托輥的裝配生產(chǎn)工藝簡化為托輥零件或部件按設(shè)計參數(shù)或模具采用注塑、沖壓或標準化加工，零件或部件按照托輥軸軸向定位槽、軸承座定位擋邊和液壓柱塞設(shè)定壓力等按標準設(shè)計工序模塊化裝配的簡單、簡潔加工與裝配方法，有效降低了裝配生產(chǎn)工序及加工裝配操作的難度與繁度，提高了裝配精度，提高了生產(chǎn)效率和合格率，同時，可有效降低托輥生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備投資以及對操作工人技術(shù)水平的要求。
⑹．將托輥生產(chǎn)工序和裝配操作方法簡化為模具化或標準化托輥零件加工和依據(jù)設(shè)計定位或定壓參數(shù)進行零件模塊化托輥總裝配，在提高托輥生產(chǎn)簡潔性、精準性的同時，將托輥的質(zhì)量檢測方法簡化為零件幾何參數(shù)測量與外觀完整性檢查和總裝配零件定位與操作定壓的控制，實現(xiàn)了托輥的質(zhì)量在線檢測。
采用上述研究理論和工藝設(shè)計方法技術(shù)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)的帶式輸送機托輥“礦安”檢測結(jié)果：
安全可靠性能評價結(jié)果
（1）托輥部件所選用材料及其技術(shù)指標均符合國家現(xiàn)行煤礦安全強制技術(shù)指標要求；
（2）采用了阻燃和抗靜電改性UHMW-PE管材，充分利用了UHMW-PE材料的綜合優(yōu)異性能，以及采用低泄露率軸承油封、防水、防塵并保持低阻性能的端密封以及模塊化過盈冷裝配工藝，顯著改善了托輥軸承的運行環(huán)境，以及托輥裝配的精準度，開發(fā)的托輥經(jīng)生產(chǎn)現(xiàn)場驗證，可在一次性加注潤滑脂后保持低旋轉(zhuǎn)阻力（≤1.5N）、低徑向跳動和軸向竄動量及低噪音狀態(tài)下，運行壽命不低于50000小時，對煤礦井下腐蝕、淋水、粉塵等惡劣運行環(huán)境的具有較強的適應(yīng)能力，有效降低了由于托輥故障導(dǎo)致的電機過載、輸送帶嚴重跑偏等安全事故的發(fā)生頻率，顯著提高了帶式輸送機的維修周期，進而提高了與其配套的帶式輸送機對惡劣運行環(huán)境的適應(yīng)能力，特別是煤礦井下生產(chǎn)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，有助于提高煤礦井下帶式輸送機運行的安全可靠性能；
（3）提高了托輥裝配的精準度，可有效降低托輥在運輸、安裝及搬移等環(huán)節(jié)中由于沖擊、碰撞等因素對托輥部件牢固度和精度的影響。
運行經(jīng)濟性能評價結(jié)果
參照目前國家已頒布的煤礦用帶式輸送機設(shè)計計算方法和煤礦用主提升帶式輸送機節(jié)能檢測方法與判定規(guī)則，其托輥運行經(jīng)濟性能如下：
- 可有效降低與其配套的帶式輸送機運行阻力至少35%，可顯著降低帶式輸送機啟動、停機就運行能耗至少40%；
- 可降低因托輥損壞形成的材料費支出至少50%，大修周期可延長至7200小時，可顯著降低帶式輸送機維護與維修費用支出；
- 可有效降低在運輸、裝配及搬移中對托輥造成的損壞程度，降低運輸成本以及搬移的人工勞動強度，特別是煤礦井下生產(chǎn)條件下；
- 可有效提高所配套的帶式輸送機運行效率，如可配套煤礦用長距離、大運量帶式輸送機，顯著提高綜采設(shè)備的開機率，增加企業(yè)的生產(chǎn)效率和效益；
- 過盈冷裝配托輥生產(chǎn)工藝，可降低托輥生產(chǎn)設(shè)備投資（約40%）以及生產(chǎn)成本（約45%），顯著提高生產(chǎn)效率（至少25%）及一次性裝配合格率（≧99%），具有良好的技術(shù)生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化效益；
- 所開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品，具有完全、獨立的知識產(chǎn)權(quán)，可替代進口產(chǎn)品，并具有明顯的性價比優(yōu)勢，對采用企業(yè)，可顯著降低采購成本及外匯支出。
- 結(jié)論
采用上述技術(shù)途徑所研發(fā)的托輥經(jīng)安全可靠性和運行經(jīng)濟性評價，證明該技術(shù)途徑對顯著提高帶式輸送機托輥綜合技術(shù)性能是可行且有效的，對帶式輸送機研究、設(shè)計及生產(chǎn)單位實施帶式輸送機托輥技術(shù)創(chuàng)新具有一定的借鑒意義。
(責任編輯：雨潤華 來源：雨潤華)Keywords（關(guān)鍵詞）：超高分子量聚乙烯托輥
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