1、托輥過早失效的原因
目前使用的鋼托輥，其管體為有焊縫鋼管及無縫鋼管2種．作為單個零件，托輥管體幾乎不會失效，其使用壽命很長，安全性很高．然而，通過對托輥的全面分析得知，作為托輥管體的鋼管雖然不容易斷裂，但作為托輥管體，其同軸度、直線度、徑向圓跳動等精度往往達不到托輥的技術要求．從這個意義上講，鋼管制作的托輥管體容易失效，這是鋼托輥性能差的固有原因．鋼托輥的軸承座也有2類：①鑄鐵軸承座；②沖壓軸承座．鑄鐵軸承座重量大，制造成本高，鑄造缺陷及加工質量易產生偏心誤差，增加托輥的運行阻力．沖壓軸承座雖然重量有所減輕，但它與托輥管體焊接后，同軸度精度難以保證，這是影響托輥性能的另一個主要因素．另外，在腐蝕介質的作用下，托輥的鋼管體內壁便會與介質元素的原子發生化學反應生成金屬氧化物等，這些氧化物容易進入軸承，導致托輥過早失效．
鋼托輥過早失效的原因是其本身固有的．為了從根本上解決托輥過早失效的問題，本文擬以酚醛復合材料取代鋼托輥的管體及軸承座，并對酚醛復合材料的組分及性能進行試驗研究．
2、 CP - DMC的制備
用于制造托輥管體及軸承座的聚合物復合材料，既要滿足傳統托輥所要求的物理性能和機械性能，還要具有高等級的阻燃和抗靜電性能．在己知的聚合物中，酚醛樹脂的阻燃性能最好．普通酚醛樹脂的氧指數約為20，但仍不能滿足煤礦井下用聚合物的要求（氧指數需大于27）．因此，仍需采用阻燃劑以增大材料的氧指數．筆者根據托輥的特殊性能要求及模壓工藝等條件，在充分研究酚醛樹脂及各種添加劑的性質、結構、價格、配伍性、成型工藝條件、毒性等的基礎上，確定各種原材料的用量配比關系．
2.1 CP - DMC的成分
CP - DMC( Cotton Short Fiber-Reinforced Phenol Formaldehyde Resin - Dough Molding Compound)， 即棉短纖維增強酚醛樹脂基團狀模塑料，是以酚醛樹脂為基體的棉短纖維及多種添加劑組成的多項體系，其主要成分：①樹脂基體．選用實驗室合成的酚醛樹脂；②增強材料．選用棉短纖維；③阻燃劑．用以增加材料的氧指數．常用的添加型阻燃劑有氫氧化鋁、氯化石蠟等…；④抗靜電劑．添加抗靜電劑是為了消除聚合物制品表面的靜電，以避免產生電火花，確保煤礦井下安全生產．確定抗靜電劑時，應著重考慮其與阻燃劑的協同作用以及對材料物理機械性能的影響．常用的抗靜電劑有乙炔黑等；⑤填料．加入填料，除了可以降低制品成本外，還可減少制品成型時的收縮率和熱膨脹率，改善其粘度及加工工藝性填料的種類很多，一般從碳酸鈣、高嶺土、氧化鋁和滑石粉中選取；⑥固化促進劑．H促進劑，因其在空氣中受熱直接分解為甲醛和氨氣，在酚醛樹脂的酚核之間形成甲撐鍵或卞胺型交聯，故可作酚醛塑料的固化劑.⑦脫模劑．為改善制品的脫模性能，確保制品成型后從模具中順利脫出，需要使用脫模劑．考慮到酚醛樹脂的固化成型溫度不高于150℃，因而選用硬脂酸鋅作為脫模劑．實際上，硬脂酸鋅還具有不腐蝕模具、成本低、操作簡單等優點．
2.2 CP - DMC模壓料的流變特性試驗
模壓料的流動特性與模壓成型過程及制品的質量關系極大，尤其對具有狹小流道及結構復雜的制品，流動性往往成為制品成敗的關鍵．而模壓料的流動性則正是其流變特性的體現．研究模壓料的流變特性，不僅可以確定流變參數與加工變量之間的關系，而且可以確定物料函數及其本構方程，從理論上對加工過程進行指導．
CP - DMC模壓料是一種半干狀固體，具有一定的固化度，其粘度較大．但在一定的溫度和外力條件下，只要外力作用時間大于材料的松弛期，CP - DMC仍會發生流動變形．根據這一特點，可以使用平行板式剪切流動儀進行CP - DMC的流變特性實驗．采用的實驗方案：①當溫度及應力一定時，測定其剪切速率與回復應變之間的關系及表觀粘度與時間的關系；②當溫度及貯存時間一定時，進行不同應力下的流變實驗；③根據不同溫度下的流變實驗，研究溫度對CP - DMC流變性的影響；④在同一溫度祭件下，進行不同配比的流變實驗，研究配方組分對其流變性的影響．測定CP - DMC流變特性的材料配方見表1．
CP - DMC在剪切應力的作用下，不僅表現出粘性流動，而且表現出彈性形變．實驗表明，填料和纖維的加入使CP - DMC對溫度的依賴性增強，溫度越高，其非牛頓性越強．不同溫度下的曲線都呈S形，或隨著剪切速率的增加，曲線斜率減小，說明在高的剪切速率下，CP -DMC偏離牛頓流體更大一些．隨著溫度的增加，流變曲線逐漸右移．隨著剪切速率的增加，剪切應力對剪切速率和溫度的依賴性減小．
2.3 CP - DMC的模壓工藝
在模壓過程中，模壓料經過粘流、凝膠和硬固3個階段，分子鏈由線形變成網狀體形結構．實現這種變化的外部條件——模壓工藝參數是成型溫度、成型壓力和模壓時間．因此，要模壓出高質量的制品，除了選擇合適的壓力成型機和模具、合格的模壓料、正確的加料方法外，確定合理的模壓工藝參數至關重要．經過大量試驗，不斷試壓探索，確定CP - DMC的模壓工藝參數：成型壓力為50 MPa.上模溫度為135℃、下模溫度為140℃、保溫保壓時間為1 min/mm、最大厚度為15 mm.
2.4CP - DMC的阻燃性能
聚合物的阻燃性能直接關系到煤礦的安全生產，《煤礦井下用非金屬（聚合物）制品安全性能檢驗規范》( MT113 - 85)規定達不到阻燃標準的制品不準下井使用．國家采煤機械質量監督檢驗中心對CP -DMC進行了酒精燈火焰燃燒和酒精噴燈火焰燃燒試驗，試驗結果見表2．
2.5 CP - DMC的抗靜電性能
靜電是分布在電介質表面或電介質體內或絕緣體表面上的處于相對穩定狀態的電荷．在煤礦中，當煤塵或瓦斯氣體達到能被放電火花引燃的濃度時，靜電就可能成為爆炸或火災的主要原因．靜電對煤礦的安全生產構成了極大的威脅．因此必須設法予以消除．目前，消除靜電危害的最有效方法是添加抗靜電劑，增加聚合物的導電率．CP - DMC的導電性能3次試驗結果：上（下）膠表面電阻為4.0(3.5)，3.8(2.0)，3.2(3.2)MQ；而標準要求≤500 MQ．
3、CP - DMCI托輥的研制
CP - DMCI托輥主要由管體、軸承座、托輥軸、大游隙深槽球軸承及迷宮式密封件等組成．其中管體及軸承座均由CP - DMC材料一次模壓成型．管體的加工精度由模具保證，同軸度偏差比無縫鋼管小，重量僅為同規格無縫鋼管的50%．軸承座的重量僅為鑄鐵軸承座的20%，為沖壓軸承座的60%．
3.1 管體及軸承座成型過程的溫度控制
在管體及軸承座的模壓工藝參數中，成型溫度的控制對制品質量的影響最大．為了嚴格控制成型溫度在規定的范圍內，特設計制作了溫度控制系統．該系統主要以80C31單片機為控制中心，由溫度傳感器、A/D轉換器及固態繼電器等組成．系統中設置有主程序、采樣子程序、數據平滑濾波子程序和控制子程序．主程序完成系統自檢、初始化、控制面板的輸入和顯示；采樣子程序完成A/D轉換，并將數據放到特定的存儲單元中；數據平滑濾波子程序用以防止由于意外的干擾而引起的數據突變，以確保系統運行的平穩性；控制子程序完成啟動加熱、設置啟動標志、停止加熱、設置停止標志和設置正常標志等工作．系統程序框圖如圖1所示．
3.2 CP - DMCI托輥的性能試驗
為了檢驗CP - DMCI托輥的性能指標，由國家采煤機械質量監督檢驗中心對其進行了徑向圓跳動、旋轉阻力、密封性能及使用壽命等試驗，試驗結果：
徑向圓跳動 樣品1～10的實測值分別為0.09，0.22, 0.12, 0.25, 0.17, 0.29, 0.48, 0.16, 0.29,0.12 mm;標準值≤0.70 mm．
軸向竄動樣品1～10的實測值分別為0.02，0.02，0.04，0.02，0.06，0.04，0.12，0.08，0.02，0.06 mm;標準值≤0.70 mm．
旋轉阻力樣品1～10的實測值分別為0.63，0.92，0.68，0.56，1.72，1.75，0.53，2.17，0.65，1.19 N;標準值≤2.50 N．
機械強度（跌落試驗后軸向位移） 樣品1～4的實測值分別為0.22，0.08，0.16，0.34 mm;標準值≤1.5 mm．
淋水密封（運轉120 h） 樣品5，6的實測值分別為78，5 g；標準值≤250 g．
使用壽命樣品1～6的實測值均>20 000 h；標準值≥20 000 h．
4、結 語
托輥的壽命取決于軸承的壽命，軸承的壽命又取決于潤滑脂的壽命．影響潤滑脂壽命的關鍵因素是托輥的密封性能，而托輥管體及軸承座的精度從根本上決定了托輥的密封性能．用酚醛復合材料制作托輥的管體及軸承座具有重量輕、幾何偏差小、耐腐蝕等優點，可以從根本上解決鋼托輥過早失效的問題．以酚醛樹脂為基體的CP - DMC材料具有優良的物理機械性能，其阻燃抗靜電性能符合國家有關標準，可以用于煤礦井下．CP - DMCI托輥具有重量輕，運行阻力小，噪聲低，振動輕微等優點，并且其制造成本僅為鋼托輥的70%，因此具有廣闊的應用前景．CP - DMCI托輥已在兗州等地生產，并在大同及淮南等地煤礦使用．有關CP - DMC模壓料流變特性的實驗數據很多，限于篇幅文中未給出．CP - DMCI托輥管體及軸承座模具的結構及設計中應注意的問題，作者擬另文討論．
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