传动带(同步带、多楔带)的性能与失效（续）  上接【传动带(同步带、多楔带)的性能与失效】

郭柏炎　编译
　　该文研究了同步带和V 型多楔带的失效状况。通过胶带运动的复合过程, 结合不同股数的绳芯材料、 带的机械性能和失效分析, 有效地给出了一个清晰连贯的胶带如何工作和失效的画面。

关键词: 　同步带, V 型多楔带, 失效, 寿命, 模型

3. V型多楔带
V型多楔带的基本形状见图 5, 好似平带与带的复合体, 它综合了平带的柔软性和V带的强功率传动性。 此带的主要组成部分为: 抗拉伸的聚酯绳芯。包住绳芯的缓冲弹性复合物和制成带楔的弹性复合物。带楔弹性复合物通过短纤维补强并在轴向上得的增强, 带的背衬不是弹性体就是纤维背衬。

图 5　V型多楔带结构

　　考虑到多楔带与同步带有相似的地方, 本章节在带特性模型、 带的性能评估与预测和带结构讲解前, 先从带的实验开始谈起。

A 实验研究
V型多楔带有效寿命的确定比同步带更困难。同步带的使用寿命实质上是根据同步带传动功率的运行时间来定量的。V型多楔带的有效寿命也可以用运行的时间来定量, 不过它要求在一定的效率下传动所需的力矩。这个时间可能与胶带有能力运行的时间不相同。特别是带如果有滞仃现象, 这时灾难性失效就会发生,带楔会发生径向断裂, 使部分带楔脱落, 如图6所示。V 型多楔带失效的一个突出的问题就在于此。 如果失效定义为胶带不能提供所需效率,这个失效点往往是不固定的, 如图6 所示, 胶带在灾难性失效到来之前, 不管是常规运行还是发生传动能力降低都应立即予以调换。对V型多楔带运行研究已经趋向于集中在三个领域: 带磨耗、 带传动效率和能力以及噪声。前二个领域通常是有联系的。

图 6　失效的V 型多楔带

　　1. 传动效率、能力和磨耗——V 型多楔带传动功率的效率问题, 已经被许多专家实验调研过。Han s son 观察了胶带在第一个 1000 小时的测试使用周期内打滑情况(在驱动轮和被驱动轮间因速度而有不同)。Tabatbaei et al也进行过这种观察。对带楔外形变化的观察可使轮带间的几何形状有更好的匹配。带楔表面性能的变化有可能增加轮带间的摩擦系数。
      Han sson 也观察到从带上磨下来的碎屑聚集在轮带之间的带楔根处。这将导致轮槽顶端与带楔根部相接触, 由此降低驱动力矩的能力。Yu研究了带的磨耗。提出磨损过程发生在两个截然不同的阶段, 在起初阶段, 带的磨耗很快, 碎屑不断产生, 然后带的磨耗比较慢。Tabatabaeiet al 和Gerbet 通过实验调查了带楔根部与轮槽顶接触对带牵引能力的影响。他俩的结论是,这种接触将使V型多楔带的牵引力将下降, 但下降程度不是很大。

2. 噪声产生的机理——Connell 和Ro r rer
证实V 型多楔带上有两个基本噪声源: 轮带间的切线滑动和轮带间的径向滑动。在径向滑动中产生的噪声进一步分为间隔振动噪声(50～500HG)、 粘2滑噪声(800～ 3500HG)和谐波振荡噪声(4400～ 5600HG)。当带进入轮槽时, 间隔振动噪声和谐波振荡噪声又被径向滑动激发。Moo re 经过观察, 研究了轮带间整个切线滑动产生的噪声, 注意到在这些条件下噪声与传动装置中的无序粘滑有关。他同时也观察到噪声的频率与驱动速度、张力和力矩无关。

B V 型多楔带运行分析
与研究同步带的方法一样,  V型多楔带运行模型主要有三种, 机械模型、 有限元模型和振动模型。

1. 机械模型——同步带运行的机械模型开始于一个齿上的负载平衡, V型多楔带运行模型开始于一个带楔单元上的负载平衡, 如图 7所示。Am iim a et al从理论上研究了一个带楔截面中切线负载与带楔剪切间的关系。发现较大的径向力能使带楔支持更大的切向力。但是这里对切向力还是有限制的。V型多楔带运行的机械模型是由Gerber t, Gerber t 与Hansson共同研制的, 目的是从理论上分析理解带的打滑原因。Gerber t 证实带的打滑由四个方面引起。带的蠕动, 带的径向柔曲性, 楔的剪切偏歪和在入位与离位时带的弯曲刚性效应。在它们处于完全打滑之前, 他研究了这些效应的每个模型。 并有根据地介绍了理论与实践的关联, 还证实了非线性材料特性和带与轮楔角的差异,在模型中予以改进。

Gerber t 和Tabatabaei共同研究了几个模型。检查了楔根与槽端接触时对带的性能产生的影响。二位作者实质上是将平带当成Í 带来建立模型的, 但这个接触发生以后, 他们采用不同的探讨方式。Gerber t 假定径向负载后就产生了接触。增加在楔根与两边上的垂直负载的数量是样同, 作为对比, Tabatabae 是将多楔带作为一条平带与Í 带复合带体来研究的,它们也有同样的径向移动和不同的径向刚性。

 

　　2. 有限元模型——Han sson 首先研究了型多楔带有限元模型, 观察了带弯曲对楔角的影响。 以及带楔与轮槽间的接触压力, 研究楔角变化的Han sson 模型是一个半个带楔短截面静态 3D 模型。使用弹性复合物的门尼——R ivlin 和各向异性的材料模型, 该模型将弹性复合物内轴向纤维增强作用考虑在内。轮槽与带楔互相影响的研究是采用了一个楔横截面的一半静态2D 模型。将径向压力(相当于抬升辊轮的压力)施加到带楔上。轮槽是刚性表面。Han sson 研究了较多模型, 观察了下列效应( i)楔角的变化( ii)带磨耗( iii)压力下, 产生的磨损碎屑在带楔根部的分布情况。

Yu 研究了二轮之间一根完整胶带半楔运行的3D 静态模型, 轮是刚性表面。 如图8 (b)所示。Yu 也研究了一个2D 静态模型。如图8 (a)所示。用类似于Han sson 所描述的方式, 研究在带楔——轮槽压力下带的磨耗与磨损碎屑的效应。Moo re 使用门尼——R ivlin 材料模型和2D 静态模型研究轮带间的接触压力, 他也从带的弯曲产生的楔角变化上建立模型。发现带的弯曲没有引起楔角大的变化。这与Han sson 的结果相矛盾。这是由于Moo re 研究的胶带在带楔上没有用轴向纤维增强的缘故。

图 8　V型多楔带 2D (a)和 3D (b)有限元模型

　　Connell 和Ro r rer 也用 2D 有限元模型研究了轮带间的互相作用。并通过模型分析研究了带的结构谐振频率。

     轮带互相影响的动态模型至今只有L arence 和W ilson 著书叙述, 他们介绍了大量的模型, 这些模型不是全带运行, 就是在环绕单轮上轮带间的互相影响。这些研究用一个清晰的动态有限元编码。该模型是3D 式的, 带轮是刚性表面。

3. 振动模型——V 型多楔带振动模型主要用来预测带的间隔谐振频率。Gasper et al 和Gasper 与Haw ker 介绍的多楔带运行的集中参数动态模型, 它可用来研究带的谐振频率。Yue 应用绳索振动理论观察了带绳索的横向振动。当带振动时, 修改绳索变化的长度。除带的共振现象外,Moove 介绍带楔在剪切中的弹性——整体机械模型, 研究在负载之下多楔带的粘滑行为。

C 胶带性能评估和预测

在本节中, 对V型带的机械性和噪声进行讨论。
1. 带的机械性——V型多楔带特性最基本的一个方面是轮带间的相互作用。Gerber t 在打滑模型中, 将接触弧分面四个区域, 入口弧区、 粘合弧区(在这里有剪切变形, 但无打滑)、打滑弧区和出口弧区。Yu 证实了三个接触区: 粘合区, 打滑区,还有一个是在这二者之间的粘合打滑混合区。两位作者提到带在进出时与轮产生作用, 将会使带产生弯曲, 使带的楔顶部的刚性受到损伤,当带的弯曲发生快速变化时, 较低程度的带的弯曲应力将降低带的能量损失。

Gerber t 观察到当V型多楔带用作V带时, 它将有最高的牵引力。 此时轮槽顶部和带楔根面之间无接触。由轮槽端——带楔根因接触作用产生的径向力将降低带楔边的牵引作用。但降低的程度是很小的, Tabatabaei ei al 在书中通过实验支持了该结论。在假定带和轮完全接触的条件下, Yu 认为一个高摩擦系数, 一个高的带径向刚性和较低带弯曲应力将使Í 型多楔带有高的牵引能力。Han sson 和Yu 两位通过有限元模型分析发现, 由于磨耗造成带形变化将会影响到带轮接触压力。 这也就意味着, 如果带的牵引能力要在整个带的使用寿命期内得以维持, 那么磨损要保持在最低程度。

2. 噪声——噪声因径向打滑而加剧的情况, 正如Connell和Ro r rer 在书中所述, 它是在带滑进辊轮时发生的振荡, 噪声因粘滑使带的侧面振动激发而加剧。Connell和Ro r rer 注意到噪声随着带轮偏移程度的增加而加剧。在定义带产生的噪声时, 摩擦系数和滑动速度之间的关系是很重要的。

      Moo re 研究了纯切线滑动产生的噪声, 并将噪声与多楔带的粘滑行为联系起来。他的结论是轮带间的粘滑接触是产生噪声的必要条件。噪声的频率完全取决于楔内的弹性体的性能。

3. 带的系统结构——Yu 和Connell 以及M eck st ro th 建议改变带轮的外形。Yu 认为这可预防碎屑产生。Connell和M eck st ro th 认为径向打滑可减小噪声。Yu 建议轮槽的形状应与带楔相匹配, 以减小带的磨损碎屑结集在一起的空间。Connell和M eck st ro th 通过实验发现大幅度改变轮形和表面条件可以降低噪声,它们的结论是轮槽外形的改变对降低噪声的产生作用不大, 但是能够降低因轮的偏歪而产生的噪声强度。Yu 也介绍了带的结构, 它将带楔分为几个功能区, 每个区要求不同的机械性能。如图 9 所示, 此思路的关键是在楔的中央使用刚性且耐磨的弹性体, 它在轮槽内起Í 带作用,带楔根部采用柔刚性弹性体, 这意味着即使在此发生接触, 大部分接触压力将被带楔的中央部分所吸收, 有限元模型建议采用这种材料, 可使轮带间沿着带楔的压力分配均匀, 并且也能降低带的磨损。就改善有关胶带和材料的性能而言。要求它们有低的弯曲应力, 轮带间高的摩擦系数, 高的带径向刚性和耐磨的弹性体。如果强调带的使用寿命。 那么要避免带楔断裂, 建议采用耐疲劳的弹性体复合材料, 特别是在带楔顶端。根据书本中推荐的特种材料, 用高耐磨耗和高温特性的烷基化氯磺化聚乙烯, 可制作耐高温Í 形多楔带。高饱和性丙烯腈弹性体也被看作是有应用价值的材料。潜在的楔增强材料包括聚酯、 短帘线、 芳酰胺浆, 对于聚酯绳芯材料来说, 已证实无替换物可取代它。

图 9　多楔带材料的分布

4. 观察和评论
    有关两类胶带的文字叙述, 已清楚地表明我们已理解了胶带是如何工作和失效的。同时也明了同步带在机械模型中动态地和部分嵌入啮合的效应, 并继续推动胶带的高温材料的研制。同样, 加深理解带的机械性和接触条件,是多楔带研究中重要的课题, 研究的重点主要集中在带的振动模型和噪声模型上。　

    对这二种带型, 继续推进有限元模型的研究显得特别引人注目, 我们已收集了复合物的的条件下是承担得起的。这些因素将使对胶带的研究能持续多年。未来感兴趣的领域是研究带在整个使用期内是如何运行的。其中有因弹性体老化和绳芯损伤而改变同步带的性能; 因磨耗和碎屑的作用改变V型多楔带的接触条件等。

参 考 文 献
1. 《Rubber Chemest ry and Techno logy》 No. 3 Vo l . 711998
2. J. A. Stabbs . Ind L ubr i . T r ibo l, 4616, 7 (1994)
3. T. Koyama, M. Kayatoni, T. Sh ibata, T , Sato,and T. Ho sh iro, Bull, JSM E 22, 988 (1979)