1、托辊过早失效的原因
目前使用的钢托辊，其管体为有焊缝钢管及无缝钢管2种．作为单个零件，托辊管体几乎不会失效，其使用寿命很长，安全性很高．然而，通过对托辊的全面分析得知，作为托辊管体的钢管虽然不容易断裂，但作为托辊管体，其同轴度、直线度、径向圆跳动等精度往往达不到托辊的技术要求．从这个意义上讲，钢管制作的托辊管体容易失效，这是钢托辊性能差的固有原因．钢托辊的轴承座也有2类：①铸铁轴承座；②冲压轴承座．铸铁轴承座重量大，制造成本高，铸造缺陷及加工质量易产生偏心误差，增加托辊的运行阻力．冲压轴承座虽然重量有所减轻，但它与托辊管体焊接后，同轴度精度难以保证，这是影响托辊性能的另一个主要因素．另外，在腐蚀介质的作用下，托辊的钢管体内壁便会与介质元素的原子发生化学反应生成金属氧化物等，这些氧化物容易进入轴承，导致托辊过早失效．
钢托辊过早失效的原因是其本身固有的．为了从根本上解决托辊过早失效的问题，本文拟以酚醛复合材料取代钢托辊的管体及轴承座，并对酚醛复合材料的组分及性能进行试验研究．
2、 CP - DMC的制备
用于制造托辊管体及轴承座的聚合物复合材料，既要满足传统托辊所要求的物理性能和机械性能，还要具有高等级的阻燃和抗静电性能．在己知的聚合物中，酚醛树脂的阻燃性能最好．普通酚醛树脂的氧指数约为20，但仍不能满足煤矿井下用聚合物的要求（氧指数需大于27）．因此，仍需采用阻燃剂以增大材料的氧指数．笔者根据托辊的特殊性能要求及模压工艺等条件，在充分研究酚醛树脂及各种添加剂的性质、结构、价格、配伍性、成型工艺条件、毒性等的基础上，确定各种原材料的用量配比关系．
2.1 CP - DMC的成分
CP - DMC( Cotton Short Fiber-Reinforced Phenol Formaldehyde Resin - Dough Molding Compound)， 即棉短纤维增强酚醛树脂基团状模塑料，是以酚醛树脂为基体的棉短纤维及多种添加剂组成的多项体系，其主要成分：①树脂基体．选用实验室合成的酚醛树脂；②增强材料．选用棉短纤维；③阻燃剂．用以增加材料的氧指数．常用的添加型阻燃剂有氢氧化铝、氯化石蜡等…；④抗静电剂．添加抗静电剂是为了消除聚合物制品表面的静电，以避免产生电火花，确保煤矿井下安全生产．确定抗静电剂时，应着重考虑其与阻燃剂的协同作用以及对材料物理机械性能的影响．常用的抗静电剂有乙炔黑等；⑤填料．加入填料，除了可以降低制品成本外，还可减少制品成型时的收缩率和热膨胀率，改善其粘度及加工工艺性填料的种类很多，一般从碳酸钙、高岭土、氧化铝和滑石粉中选取；⑥固化促进剂．H促进剂，因其在空气中受热直接分解为甲醛和氨气，在酚醛树脂的酚核之间形成甲撑键或卞胺型交联，故可作酚醛塑料的固化剂.⑦脱模剂．为改善制品的脱模性能，确保制品成型后从模具中顺利脱出，需要使用脱模剂．考虑到酚醛树脂的固化成型温度不高于150℃，因而选用硬脂酸锌作为脱模剂．实际上，硬脂酸锌还具有不腐蚀模具、成本低、操作简单等优点．
2.2 CP - DMC模压料的流变特性试验
模压料的流动特性与模压成型过程及制品的质量关系极大，尤其对具有狭小流道及结构复杂的制品，流动性往往成为制品成败的关键．而模压料的流动性则正是其流变特性的体现．研究模压料的流变特性，不仅可以确定流变参数与加工变量之间的关系，而且可以确定物料函数及其本构方程，从理论上对加工过程进行指导．
CP - DMC模压料是一种半干状固体，具有一定的固化度，其粘度较大．但在一定的温度和外力条件下，只要外力作用时间大于材料的松弛期，CP - DMC仍会发生流动变形．根据这一特点，可以使用平行板式剪切流动仪进行CP - DMC的流变特性实验．采用的实验方案：①当温度及应力一定时，测定其剪切速率与回复应变之间的关系及表观粘度与时间的关系；②当温度及贮存时间一定时，进行不同应力下的流变实验；③根据不同温度下的流变实验，研究温度对CP - DMC流变性的影响；④在同一温度祭件下，进行不同配比的流变实验，研究配方组分对其流变性的影响．测定CP - DMC流变特性的材料配方见表1．
CP - DMC在剪切应力的作用下，不仅表现出粘性流动，而且表现出弹性形变．实验表明，填料和纤维的加入使CP - DMC对温度的依赖性增强，温度越高，其非牛顿性越强．不同温度下的曲线都呈S形，或随着剪切速率的增加，曲线斜率减小，说明在高的剪切速率下，CP -DMC偏离牛顿流体更大一些．随着温度的增加，流变曲线逐渐右移．随着剪切速率的增加，剪切应力对剪切速率和温度的依赖性减小．
2.3 CP - DMC的模压工艺
在模压过程中，模压料经过粘流、凝胶和硬固3个阶段，分子链由线形变成网状体形结构．实现这种变化的外部条件——模压工艺参数是成型温度、成型压力和模压时间．因此，要模压出高质量的制品，除了选择合适的压力成型机和模具、合格的模压料、正确的加料方法外，确定合理的模压工艺参数至关重要．经过大量试验，不断试压探索，确定CP - DMC的模压工艺参数：成型压力为50 MPa.上模温度为135℃、下模温度为140℃、保温保压时间为1 min/mm、最大厚度为15 mm.
2.4CP - DMC的阻燃性能
聚合物的阻燃性能直接关系到煤矿的安全生产，《煤矿井下用非金属（聚合物）制品安全性能检验规范》( MT113 - 85)规定达不到阻燃标准的制品不准下井使用．国家采煤机械质量监督检验中心对CP -DMC进行了酒精灯火焰燃烧和酒精喷灯火焰燃烧试验，试验结果见表2．
2.5 CP - DMC的抗静电性能
静电是分布在电介质表面或电介质体内或绝缘体表面上的处于相对稳定状态的电荷．在煤矿中，当煤尘或瓦斯气体达到能被放电火花引燃的浓度时，静电就可能成为爆炸或火灾的主要原因．静电对煤矿的安全生产构成了极大的威胁．因此必须设法予以消除．目前，消除静电危害的最有效方法是添加抗静电剂，增加聚合物的导电率．CP - DMC的导电性能3次试验结果：上（下）胶表面电阻为4.0(3.5)，3.8(2.0)，3.2(3.2)MQ；而标准要求≤500 MQ．
3、CP - DMCI托辊的研制
CP - DMCI托辊主要由管体、轴承座、托辊轴、大游隙深槽球轴承及迷宫式密封件等组成．其中管体及轴承座均由CP - DMC材料一次模压成型．管体的加工精度由模具保证，同轴度偏差比无缝钢管小，重量仅为同规格无缝钢管的50%．轴承座的重量仅为铸铁轴承座的20%，为冲压轴承座的60%．
3.1 管体及轴承座成型过程的温度控制
在管体及轴承座的模压工艺参数中，成型温度的控制对制品质量的影响最大．为了严格控制成型温度在规定的范围内，特设计制作了温度控制系统．该系统主要以80C31单片机为控制中心，由温度传感器、A/D转换器及固态继电器等组成．系统中设置有主程序、采样子程序、数据平滑滤波子程序和控制子程序．主程序完成系统自检、初始化、控制面板的输入和显示；采样子程序完成A/D转换，并将数据放到特定的存储单元中；数据平滑滤波子程序用以防止由于意外的干扰而引起的数据突变，以确保系统运行的平稳性；控制子程序完成启动加热、设置启动标志、停止加热、设置停止标志和设置正常标志等工作．系统程序框图如图1所示．
3.2 CP - DMCI托辊的性能试验
为了检验CP - DMCI托辊的性能指标，由国家采煤机械质量监督检验中心对其进行了径向圆跳动、旋转阻力、密封性能及使用寿命等试验，试验结果：
径向圆跳动 样品1～10的实测值分别为0.09，0.22, 0.12, 0.25, 0.17, 0.29, 0.48, 0.16, 0.29,0.12 mm;标准值≤0.70 mm．
轴向窜动样品1～10的实测值分别为0.02，0.02，0.04，0.02，0.06，0.04，0.12，0.08，0.02，0.06 mm;标准值≤0.70 mm．
旋转阻力样品1～10的实测值分别为0.63，0.92，0.68，0.56，1.72，1.75，0.53，2.17，0.65，1.19 N;标准值≤2.50 N．
机械强度（跌落试验后轴向位移） 样品1～4的实测值分别为0.22，0.08，0.16，0.34 mm;标准值≤1.5 mm．
淋水密封（运转120 h） 样品5，6的实测值分别为78，5 g；标准值≤250 g．
使用寿命样品1～6的实测值均>20 000 h；标准值≥20 000 h．
4、结 语
托辊的寿命取决于轴承的寿命，轴承的寿命又取决于润滑脂的寿命．影响润滑脂寿命的关键因素是托辊的密封性能，而托辊管体及轴承座的精度从根本上决定了托辊的密封性能．用酚醛复合材料制作托辊的管体及轴承座具有重量轻、几何偏差小、耐腐蚀等优点，可以从根本上解决钢托辊过早失效的问题．以酚醛树脂为基体的CP - DMC材料具有优良的物理机械性能，其阻燃抗静电性能符合国家有关标准，可以用于煤矿井下．CP - DMCI托辊具有重量轻，运行阻力小，噪声低，振动轻微等优点，并且其制造成本仅为钢托辊的70%，因此具有广阔的应用前景．CP - DMCI托辊已在兖州等地生产，并在大同及淮南等地煤矿使用．有关CP - DMC模压料流变特性的实验数据很多，限于篇幅文中未给出．CP - DMCI托辊管体及轴承座模具的结构及设计中应注意的问题，作者拟另文讨论．
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