Сравнительный анализ цельных и составных валов в конструкции конвейерных роликов

Введение

Чтобы повысить надёжность и снизить себестоимость конвейерных роликов, нужно изменить конструкцию основных деталей. Вал – самая тяжёлая часть ролика. Он влияет на вес, расход энергии и срок службы подшипников. Обычно его делают из цельного металлического проката, чаще всего из калиброванного круга. Такой подход сопровождается рядом ограничений, так как цельный вал имеет высокую стоимость и значительную массу. Кроме того, допуски по ГОСТу допускают наличие кривизны [1], которая на длинных роликах приводит к заклиниванию подшипников и ускоренному выходу ролика из строя. Также цельный прокат обладает низкими демпфирующими свойствами и склонен к необратимой деформации при кратковременных перегрузках. Альтернативное решение – использование составного вала. Полая конструкция снижает массу, увеличивает сопротивление изгибу и повышает устойчивость к ударным нагрузкам, а применение автоматизированной сборки обеспечивает высокую производительность и стабильное качество. Производственные затраты также снижаются за счёт использования более доступных материалов.

Цель исследования – оценить эффективность применения составного вала в конструкции конвейерного ролика. В задачи входят: сравнение массы и стоимости различных конструкций, анализ механических характеристик, оценка эксплуатационной надёжности и расчёт производственной целесообразности внедрения.

Объект исследования – вал конвейерного ролика, обеспечивающий передачу вращения, фиксацию подшипников и восприятие осевых и радиальных нагрузок.

Конструкции и материалы валов

Конструкция и материал вала определяют общую надёжность ролика, а также существенно влияют на его массу, динамическую стабильность и себестоимость изготовления [2]. В исследовании рассматриваются два варианта исполнения: цельный вал из калиброванного металлического проката и составной вал, включающий полую трубчатую секцию и две соединительные оси.

Цельный вал изготавливается из калиброванного проката круглого сечения, обеспечивающего требуемые параметры по диаметру и шероховатости. Его основным преимуществом является простота конструкции, не требующая дополнительных сборочных операций [3]. Однако применение такого проката сопряжено с рядом технологических и эксплуатационных ограничений. Во-первых, высокая стоимость материала: цена одного килограмма калиброванного круга составляет 110–120 рублей без НДС, а стоимость стандартного горячекатаного круга – 60–62 рубля за килограмм. Во-вторых, кривизна цельного вала, допускаемая по ГОСТ, становится критичной для роликов длиной свыше 500 мм, так как приводит к заклиниванию подшипника в одном положении. Чем выше степень кривизны, тем сильнее деформация и выше риск заедания, что нарушает требование свободного вращения вала и приводит к быстрому выходу ролика из строя. Устранение кривизны требует дополнительных операций рихтовки, что увеличивает трудоёмкость изготовления. Кроме того, цельный вал имеет низкие демпфирующие характеристики. При возникновении ударных или двусторонних консольных нагрузок возможна остаточная деформация, которая не подлежит восстановлению и приводит к заклиниванию и выводу ролика из эксплуатации.

Разработанный составной вал сконструирован в соответствии с инженерными принципами, применяемыми в конструкции полых карданных валов. Конструкция включает три элемента: два отрезка стандартного стального круга с механической обработкой и участок электросварной трубы. Сборка осуществляется на специальном станке, где оси фиксируются в цанговых зажимах и точно позиционируются по одной оси. Трубчатая часть вваривается по кругу, что позволяет снять сварочные напряжения и обеспечить высокую прямолинейность. В результате формируется единый вал с минимальными отклонениями по осевому биению. В качестве материалов используются стандартные доступные заготовки. Средняя стоимость стального круга составляет 60–62 рубля за килограмм без НДС, трубы – 58–60 рублей за килограмм без НДС. Применение полой трубной секции позволяет значительно снизить массу вала по сравнению с цельным прокатом. Снижение веса особенно ощутимо на роликах большой длины. При этом сохраняется достаточная прочность и жёсткость благодаря перераспределению нагрузок в сечении.

Сборка составных валов производится на специализированных станках, разработанных по техническому заданию предприятия. Один оператор обеспечивает выпуск до 700 валов за 12-часовую смену. Производственный участок оснащён двумя идентичными станками, что обеспечивает резервирование и отказоустойчивость. Оснастка обеспечивает точное центрирование элементов и стабильное качество соединения.

Механические характеристики и эксплуатационные свойства валов

Рассмотрим сравнительный анализ механических и эксплуатационных характеристик валов (табл.).

Таблица

Сравнительный анализ механических и эксплуатационных характеристик валов

Полый трубчатый элемент, применяемый в составной конструкции, обладает более выгодными прочностными характеристиками при меньшей массе. За счёт перераспределения металла к внешнему контуру поперечного сечения достигается повышенное сопротивление изгибу, что особенно актуально для роликов значительной длины. При краткосрочных ударных или консольных нагрузках составной вал демонстрирует большую устойчивость к остаточной деформации по сравнению с цельным, поскольку трубная секция обладает упругостью, способной частично гасить приложенное усилие. Это положительно сказывается на сохранении геометрии и ресурсе ролика в целом. В условиях динамической или вибрационной нагрузки составной вал также обеспечивает лучшие демпфирующие свойства. Это снижает передачу вибраций на подшипниковые узлы и способствует более равномерной работе ролика при эксплуатации на высоких скоростях или при транспортировке тяжёлых фракций. С точки зрения износостойкости, составная конструкция не уступает цельному исполнению. Гладкая форма без участков повышенного напряжения и равномерность распределения нагрузок в трубной секции обеспечивают устойчивость к многократным циклическим воздействиям. На практике составные валы демонстрируют стабильные показатели при работе в стандартных режимах.

Показатели крутильной жёсткости у цельного и составного вала сопоставимы, при условии корректного подбора посадок и обеспечения надёжного соединения элементов. Исходя из вышесказанного, составной вал сохраняет функциональные характеристики, необходимые для обеспечения передачи вращающего момента без критических деформаций.

Экономическая оценка

Конструкция вала оказывает непосредственное влияние на себестоимость ролика. Использование калиброванного проката в конструкции цельного вала приводит к значительным затратам на этапе закупки. Средняя стоимость проката составляет 110–120 рублей за килограмм без НДС, при этом масса одного вала достигает 3,2–3,5 кг. Таким образом, стоимость заготовки для цельного вала составляет порядка 370–420 рублей. Дополнительно при производстве длинномерных валов возникает необходимость в рихтовке, что увеличивает трудоёмкость и снижает производственную эффективность. Отдельным фактором выступает доля брака, связанного с кривизной проката и нарушением соосности [5].

В составном варианте используется комбинация стандартного круглого проката и электросварной трубы. Средняя стоимость заготовок – 60–62 рубля за килограмм для круга и 58–60 рублей за килограмм для трубы. Масса вала составляет 2,1–2,3 кг. Общая стоимость материалов – 130–145 рублей. Изготовление требует выполнения токарной проточки, однако сборка осуществляется в полуавтоматическом режиме с высокой производительностью. Рихтовка и дополнительная корректировка геометрии не требуются.

Для обеспечения сборки составных валов применяются специализированные станки, разработанные по техническому заданию предприятия. Стоимость одного станка составляет 3,5–4 млн рублей. Всего используется два станка, что обеспечивает дублирование и отказоустойчивость. Несмотря на существенные капитальные затраты (около 7 млн рублей), экономический эффект достигается за счёт снижения стоимости металла и сокращения операционных затрат. По производственным расчётам, при выпуске роликов с составным валом в диапазоне диаметров от 320 до 1000 мм оборудование окупается в течение одного года при полной загрузке производственного участка.

Также стоит отметить, что использование стандартного проката и трубной продукции даёт возможность гибко выбирать поставщиков на открытом рынке. В отличие от калиброванного проката, производимого ограниченным числом предприятий, стандартные заготовки имеют широкую доступность и устойчивое ценовое предложение. Это снижает логистические риски и позволяет формировать конкурентоспособную закупочную стратегию.

Заключение

Проведённое исследование подтвердило техническую и экономическую целесообразность замены цельного вала в конструкции конвейерного ролика на составной. Использование полой трубной секции в сочетании со стандартным круглым прокатом позволяет существенно снизить массу детали без потери прочностных характеристик. Составной вал демонстрирует повышенное сопротивление изгибу и увеличенной нагрузке, улучшенные демпфирующие свойства и стабильную работу при циклических нагружениях.

С технологической точки зрения составной вал обеспечивает более высокую производственную эффективность за счёт полуавтоматизированной сборки и отказа от трудоёмких операций рихтовки. Снижение материалоёмкости и переход к использованию доступных стандартных заготовок позволяют существенно сократить себестоимость изделия. При этом капитальные затраты на сборочное оборудование окупаются в краткосрочной перспективе.

Таким образом, внедрение составного вала обеспечивает повышение надёжности, снижение затрат и расширение производственных возможностей, что подтверждает практическую значимость предложенного решения.