同步帶和V型多楔帶的失效狀況

　　該文研究了同步帶和V型多楔帶的失效狀況。通過膠帶運動的復合過程, 結合不同股數的繩芯材料、 帶的機械性能和失效分析, 有效地給出了一個清晰連貫的膠帶如何工作和失效的畫面。

　　1. 簡介

　　傳動帶已從原有接頭的皮革帶, 發展到今天的平帶、 V帶、 V型多楔帶和同步帶。它可應用于各個方面, 如印刷機、 洗衣機、內燃機和面粉磨機等等。傳動帶已經能夠在高溫中傳動高力矩, 它可在許多方面取代齒輪和鏈輪。

　　2. 同步帶

　　同步帶通過帶齒形的工作面與齒形帶輪的齒槽嚙合而傳動, 也即通過帶齒在帶輪間的摩擦來傳動力矩。 同步帶基本結構如圖1 所示。 圖1 (a)是當前最普通的同步帶, 帶齒呈圓弧形即圓弧齒同步帶; 圖1 (b)是梯形齒，即梯形齒同步帶, 一種老式的齒形, 現在大多數已被圓弧形齒同步帶所代替。膠帶有三個主要組成部分: 螺旋纏繞玻璃纖維繩芯, 它作強力層。聚酰胺纖維(或其它纖維)履蓋在帶齒上部, 與帶輪互相接觸時, 它能起耐磨損和增強帶齒作用。 彈性復合物構成帶背材和帶齒根塊。想了解更多同步帶的知識可以查看小編寫的《什么是同步帶？》

 

　　(a)圓弧形齒同步帶　(b)梯形齒同步帶

　　圖一 同步帶結構

　　A 膠帶失效

　　膠帶失效是指膠帶失去同步傳動功率的能力, 或是膠帶產生噪聲, 以致不能使用。下面依次考察這些情況產生的原因。1. 膠帶機械性失效——英國汽車協會原材料實驗室發現, 大量的引擎問題是由于凸輪軸上同步帶失效而造成的。把這些同步帶失效及與之有聯系的情況進行歸類, 并把它們出現的頻率列在表1 中。

　　表 1　同步帶失效的狀況

　　從表中可見同步帶失效的狀況有齒根斷裂、 磨耗、 繩芯失效和纖維分裂。表2 總結了在什么文章中介紹了什么樣的失效狀況。圖2 顯示了每種失效的同步帶樣品。

　　比較表 1 和表 2 可注意到, 帶輪位移和油蝕失效可以考慮是系統失效問題, 而非膠帶本身失效。因此, 它們在表2 中不統計。而帶磨耗是不能作為嚴重失效狀況出現在表 1 中的, 而兩表中都出現的問題則必須予以重視。不能等到膠帶工作到出現嚴重失效狀態時, 才按規定要求替換它們。

　　從兩表中可清楚地發現: 齒根斷裂是膠帶普遍的失效狀況。本文提出同步帶失效產生的二種機理, 認為先是齒根面上纖維疲勞并斷裂,緊接著是齒彈性復合物斷裂的快速蔓延, 使整個彈性復合物——繩芯界面脫離, 帶齒不再能承受負荷, 膠帶也不能再傳遞功率了。

　　表 2　從實驗室壽命測試觀察到的同步帶失效狀況

　　(a) 齒根斷裂　(b) 磨耗　(c) 繩芯脫層

　　(d) 纖維分裂　(e) 帶背龜裂

　　圖 2　同步帶失效狀況

　　Kido et al7指出這種機理經常由于纖維的磨損而加速發生, 殘留的纖維材料承受著負荷。L izuka5報告也描述了上述二種機理。 第二個機理產生齒根斷裂, 它最初出現在紗線中的繩芯界面上。 斷裂起初是從這個區域蔓延, 首先進入齒的彈性復合物, 然后到齒根的表面纖維。L izuka 觀察到這第二種機理是在大約 5 牛頓的力矩下進行膠帶壽命測試中發生的, 在試驗中觀察到, 在實施更高力矩時, 表面纖維就產生疲勞, 當膠帶圓弧齒嚙合在皮帶輪上時, 紗線界面發生的初斷裂與嚙合處的同步帶最大程度彎曲有關。

　　有大量關于機械問題產生帶繩芯的失效機理的報道。 認為這些膠帶處在太高的張力下, 以致繩芯不能支持負載。 M u rakam i和W atanabe9指出局部的繩芯彎曲將引起芯間的脫粘, 造成內部單絲纖維磨損和降低繩芯拉伸強度, 最終導致繩芯失效。Dalgarno et al6通過在膠帶邊上繩芯的脫粘來觀察帶的失效, 即當膠帶邊上脫粘的繩芯陷入帶和帶輪之間時就會導致繩芯失效。膠帶張力失效的潛在來源是帶背部膠層的龜裂。如圖2 (e)所示。這種情況的失效起源于膠帶背部膠層的龜裂, 這是由彈性復合物老化所致。 龜裂可擴展到膠帶整個背部, 然后裂縫蔓延到繩芯暴露出來的程度, 緊跟著是膠帶拉伸強度失效。

　　當帶齒和表面纖維從膠帶芯上分離時, 就會發生纖維分裂失效。 這可看作粘合強度失效。雖然這種失效狀況可以與齒根斷裂聯系在一起, 但是L izuka觀察到起源是從繩芯失效而發展成的。磨耗造成膠帶失效是因為齒形變化到那種不能承受負載要求的程度。

　　有興趣的事, 膠帶內的粘合強度是造成這種類型失效的根本原因。 但是纖維疲勞(經常被磨損) , 自身磨耗和彈性復合物失效是與粘合強度無關的。

　　2. 噪聲產生的機理——同步帶產生的噪聲有五個基本來源: 帶與帶輪之間的碰撞、 帶條振動、 當帶齒嚙合在輪槽上時, 空氣流過同步輪間產生的噪聲、 帶與帶輪的摩擦和同步帶輪本身的振動。 所有實驗研究證明: 帶和同步輪間的碰撞是同步帶產生噪聲的主要噪聲源。調換帶齒對減少沖擊噪聲不會有什么效果。它是由膠帶表面與輪槽端間的沖擊而產生的。沖擊噪聲的沖擊頻率會激起膠帶的振動, 增加膠帶帶面和帶輪的碰撞速率, 結果是增加噪聲值。 因為膠帶振動將產生一個高強度的空氣流噪聲。與沖擊噪聲和膠帶振動噪聲比較, 膠帶和輪間的摩擦噪聲與空氣流動噪聲通?？煽醋鞔我脑肼曉?。

　　B . 膠帶運行分析

　　膠帶運行不是齒嚙合機械模型、 膠帶運行有限元模型, 就是膠帶振動模型。

　　1. 齒嚙合機械模型——大多數膠帶運行的機械模型取膠帶節距上啟始點的負荷平衡,通常包含帶張力、 齒負載和輪帶間的摩擦, 以及膠帶在齒嚙合開始和結束時的緊邊張力和松邊張力, 反之也然。如圖3 (a)所示。要考慮鄰近帶齒的一致性, 通常齒的變形將增加帶齒的偏歪,造成在輪帶間節距長的差異和在張力下膠帶伸長的差異。圖 3 (b)顯示了這種情況, 齒的負載和齒的偏歪通常也與齒的韌性有聯系, 韌性反映了帶齒的抗偏歪性。帶的伸長與張力通常也與其延伸韌性有關。 帶齒的韌性、 帶的延伸韌性和輪帶間的摩擦系數結合在一起決定了帶的性能, 并考慮輪帶的嚙合程度, 產生一個平衡系統。 然后就能得出一個膠帶張力、 齒負載以及齒在輪帶接觸點附近位置處的偏差數據。

　　(a) 負載平衡　(b) 相容性

　　圖 3　帶齒全嚙合的機械模型

　　模型所要求的帶性能, 如帶韌性通常通過膠帶的張力計來測定。齒韌性數據一般用單獨的一個齒對一個輪槽或部分輪槽的負載試驗所測定, 雖然 P lay et al20也通過同樣的方法對多個齒負載研究齒的韌性。但輪帶間的摩擦系數用帶在平鋼板上的滑動測定。也可將帶掛在具有帶齒的平面鼓輪上, 使帶與輪接觸, 使用不同的張力拉動膠帶, 直到帶在輪上滑動。 摩擦系數值的范圍在0. 2～ 0. 4 之間。

　　(a) Gerbert, 197816　(b) Da lgarno, 1991　(c) Moo re 1997

　　圖 4　有限元模型研究

　　上述模型通常在另二個方面缺少描述, 即部分嵌入和動態時的情況。帶齒從非嵌入狀態到全嵌入狀態進入輥輪, 離開時情況正好相反,上面僅講述了齒全嵌入狀態時特征。在部分嵌入狀態下, 帶齒特征模型已由Koyam a et al22、Kago tan i et al23和Ch ilds24進行著書研究。 這些模型研究了嵌入過程中的運動分析, 檢驗了部分嵌入過程中輪帶間的界面作用。

　　輪帶互相影響的動態特性模型首先是, 隨膠帶特性和幾何形狀改變, 膠帶負載呈周期的變化, 或是帶輪的離心。 負載的周期性升高是通過 “多邊形效應” 產生的。 它從帶齒節線升起, 不延著輪齒節園, 或由兩輪齒節園間的切線所限定的軌跡升高。該效應的運動學模型由P lay27建立, 也是部分嵌入嚙合的重要理論依據。 這些效應不管是否有動態力矩傳動都會引起帶上的動態負載。動態力距的效應由 Karo lev 和Go ld28建立模型, 采用上述全嵌入嚙合分析獲得力距數據, 來改變嚙合周期。

　　2. 有限元模型——首次提出輪帶間相互影響的有限元模型是Gerber t et al16。這種 2D模型是一個帶齒, 在帶齒節距端, 對帶芯施加不同的張力, 使帶上產生靜態負載。見圖4 (a)。通過施加到帶輪邊中心節上的應力和重復過程產生的摩擦, 來建立帶輪與帶節距互相作用的模型。繩芯和彈性復合物都分別按線性彈性材料元素建模型, 但這模型不包括表面纖維。M u2rakam i 和W atanabe9也介紹了一個帶齒節距的靜態模型。在全帶齒節距結構內, 彈性復合物, 表面纖維和繩芯都是作為獨立線性彈性體材料元素建模的。輪的相互作用是通過帶齒中心節的邊界條件建模的。該邊界條件通常代表了輪帶間的相互作用, 可以在嚙合期間從輪帶相互作用的運動分析中推導出模型。Dal garnoet al29使用的一個帶齒的模型見圖 4 (b) , 此時,帶輪具有剛性表面, 能與帶齒相互嚙合, 將靜態張力施加在帶齒節距端, 導入齒負載。 在這種情況下, 彈性復合物材料模型是門尼——里夫展開式。Moo re32和ch ida et al32研究輪帶全角度包繞的互相作用的靜態2D 模型。 見圖4 (c)。 二人都考慮了帶的三個材料元素和剛性表面的帶輪。Kido et al 7.33介紹了一個靜態二輪有限元模型(輪是剛性表面)和一條在 2D 上的整條膠帶。 雖然在處理膠帶時, 表面纖維不能清楚地模擬, 但是可模擬彈性纖維層及與繩芯復合在一起的彈性纖維層。

　　材料性能的敘述對于有限元分析的成功是關鍵性的問題。 最通常要考慮的是彈性復合物、纖維和繩芯作獨立的線性彈性材料元素, 它們組成了復合膠帶。

　　彈性復合體和纖維的應力——應變行為也是研究的領域。分析的目的是研究齒的負載和偏歪, 不需詳細的材料描述, 而需要實際檢查一個齒根表面纖維的應變。一般來說,Dal garnoet al29書中提到纖維性能的測試是很重要的, 膠帶必須在與實際情況同樣的時間和溫度循環中測試。齒嚙合分析已在前章中討論過了。輪帶間的摩擦系數測量方法一般是不報道的。但是在齒嚙合分析中引用的值在0. 2～ 0. 4 范圍內。

　　3. 振動模型——同步帶振動行為的模型集中在二個區域, 橫向振動和縱向振動。Kaiseret al13書中的模型是將帶在同步輪間的帶跨當作繩索的自然頻率來研究帶跨的橫向振動。 W atan2abe et al34也用了繩索理論作對橫向振動頻率和放大模型進行研究的起點。M iguno et al35Mon terno t et al36介紹了膠帶縱向振動模型。他們把膠帶系統分解為彈性、 質量和阻尼體積, 并以此研究這些模型的發展, 并能將帶的動態張力與帶在凸輪和其它帶輪上的動態效應合在一起進行研究。Mon ter no t et al36將動態膠帶模型與齒嚙合模型連接在一起, 并對帶縱向振動對帶齒負荷和帶齒偏移的影響進行研究。

　　在這二種不同方法中, 彈性和阻尼系數的研究是相似的。M iguno et al 測試的是膠帶包纏在輥輪上的負載作用。Mon terno t et al則是從單個齒的總效應以及膠帶跨度韌性出發, 研究了球型彈性和阻尼系數。

　　C. 膠帶性能評估

　　1. 膠帶壽命——有些著作已經證實某些參數是與帶壽命有直接的關系, 可通過一個線性儀表記錄帶壽命與參數間的關系。Koyam aet al37研究了不同齒節距與帶壽命間的關系。 發現選擇齒節距不同的齒形可使齒產生平坦的負載分配, 可能獲得最大帶壽命, 最佳齒節距不同值是在帶齒節距長度比輪齒節距長小的地方,失效模式是齒的剪切和磨損。M u ra Kam i 和W atanabe9在研究中最先關心的是繩芯失效。他介紹了繩芯表面應力與帶壽命間的關系。Ch ilds et al4研究齒負載與因齒根斷裂影響帶壽命之間的關系。他的結論是從帶輪上進入——出去的齒負載對帶壽命是一個重要的有效參數。但是它與在齒負載和帶壽命因驅動和被驅動失效之間的聯系是不相同的。Dalgarno 用了同樣探討的方法, 就是不通過齒的偏歪問題上來決定帶壽命。結果表明具有不同的彈性復合物層, 但有同樣纖維的膠帶, 它們的齒偏歪和帶壽命間的關系是相同的。 Dalgarno et al結合膠帶熱老化效應的研究, 檢查了纖維分裂和繩芯分層失效。發現因齒偏歪和帶壽命而造成得膠帶失效與齒根斷裂之間沒有什么聯系。作者的結論是降低齒頂端偏歪的程度將延長膠帶的壽命。

　　Ch ilds et al24介紹的第一篇文章是檢查包括部分嚙合而產生的帶失效。研究了有效應變齒偏歪和彎曲的測定, 以及它們與齒根斷裂失效而降低帶壽命之間的關系。該失效不管是否是驅動還是被驅動都是相同的。Kido et al7用有限元技術檢測了帶的失效。研究了帶齒工作時的摩擦和帶壽命間的關系。 在這種情況下, 帶壽命是因磨損而失效的。Iizuka et al38用膠帶的曲率作為帶壽命指標值, 研究了帶曲率與帶壽命間的關系。雖然驅動與被驅動失效的關系是不相同的, 但著者的觀點是二種測試法: 有效應變和帶曲率, 可能它們之間有內在聯系。 并認為齒變形的測定對評估齒根龜裂的失效是非常有效的手段。 變形測試, 齒偏歪和面纖維應變之間的直接聯系已在Dalgarno et al29書中表明。纖維應變將使纖維疲勞以及齒根斷裂。Dalgarnoet al6和。Iizuka et al38著作中建議, 齒變形測試可能是最有效的評估粘合型失效的方法?？捎媚ズ臋C通過磨損來評估帶失效, 然后制定出帶壽命評估圖。 齒根失效原因見本章節2. A. 1, 但必須排除彈性復合物的斷裂。

　　2. 噪聲——Kaiser et al13和Koyam a et al3介紹了膠帶產生噪聲的詳細原因。 廣義地說, 噪聲值隨帶速成線性增長。但是另外一些額外的噪聲, 是在一定的速度下由帶側向振動激發而產生的。Kaiser et al13和W atanabe et al34的模型能被用來預測可能產生的激發頻率。

　　D 膠帶結構設計

　　實質上, 這么多年來只有二種方法可以改善同步帶的性質, 首先通過改變或改良膠帶的幾何形狀, 第二種方法是改善帶的原材料。

　　1. 幾何形狀——在最近二十年內最有意義的帶形狀改變, 是從梯形齒形帶變為圓弧形齒形帶, Koyam a et al3,M u rakam i 和W atan2abe9P lay et al20和U ch ida et al32認為圓弧齒形使膠帶處于最佳的負載分配狀態。圓弧齒同步帶的同步帶傳動精度高于梯形齒同步帶;通常研究表明在嚙合期間輪帶間的干擾最小。P lay et al也進行了參數分析, 來研究不同部分的帶齒——輪槽的幾何形狀對齒負載的影響。他們的結論是對齒負載影響的最大參數是: 齒節距不同, 帶齒節距長、 帶輪半徑和從帶表面區域到繩芯中央的距離。 Ch ilds et al24也引用了節線長差異作為一個重要參數, 它的增加似乎要降低帶的壽命。

　　Koyam a et al15和W atanabe et al34經實踐和理論研究, 證實帶的密度變化對噪聲會產生不同的效果。結論是膠帶密度變化將有效地降低帶橫向振動的激發作用。與輪帶結構有聯系的, 如用桶形, 錐形或橢園形的輪可在更大的頻率范圍內使用。U eda et al39制成螺旋齒形的膠帶。以此降低噪聲, 提高帶壽命。結果是只有帶的張力和繩芯拉抻扭力被正確控制, 而它對提高膠帶壽命作用很小。

　　2. 膠帶原材料——為研究帶原材料性能,首先需要知道膠帶要求什么性能。如果帶齒的變形要減至最小, 那么齒的剛性要高, 以保證在負載下帶齒偏歪小。 膠帶延伸剛性也應當高, 而高的帶延伸剛性將降低齒節差值范圍, 這樣膠帶可在輥輪上均勻滾園。Dalgarno et al40檢查了膠帶和原材料性能間的關系, 結論是膠帶的延伸剛性是由加強繩芯的剛性決定的。彈性復合物和表面纖維對膠帶齒剛性起了明顯的作用。通常, 溫度效應和動態負載也是重要因素,當考慮膠帶采用何種材料時。這二種因素也要考慮在內。 A be et al42注意到由于熱的產生對繩芯造成的滯后效應, 將會使膠帶的溫度比環境溫度高出30 ° C。

　　在大多數出版研究膠帶原材料的文章, 關注的是彈性復合物以及復合物能否在更高的溫用的氫化丁腈橡膠替代之前, 幾乎所有的同步帶都選擇氯丁膠為彈性復合物材料。由于烷基氯磺化聚乙烯因其高溫特性也被應用, 乙烯丙烯酸共聚彈性體也被應用于同步帶。

　　對于彈性體性能造成的帶失效, 建議將動態儲存模量和耐斷裂作為同步帶彈性復合物最重要的二個特性。 要使齒的變形最小, 齒的剛性應盡可能高。 帶齒的負載時的速率, 即動態齒剛性的測量是重要的。老化效應意味著齒剛性在整個帶壽命期內正常增加, 最小的變形將造成在整個帶壽命期內齒平均剛性為最高。這也就是意味為避免齒變形相關的失效。在整個帶壽命期內, 彈性復合物的平均動態儲存模量應僅可能的高。 在另一種失效模形發生之前, 應建立平均動態儲存模量, 此值在實踐中有限制。 在本章節 2. A. 1 討論膠帶壽命測試研究時認為該限制可以消除。建議使用芳綸漿加強彈性復合物, 可達到高彈性復合模量。 彈性復合物另一個經常提到的性能就是耐油性。因油的關系造成失效如表 1 所示, 它建議在汽車上用耐油性膠帶。

　　書中講述了表面纖維與繩芯在帶應用中的要求是較特殊的。通常高的帶延伸剛性要求高的繩芯剛性。

　　玻璃纖維是最普通的繩芯材料, 這是僅有的可替代芳綸繩芯的材料。雖然它在粘合和尺寸穩定性上有一定的缺陷。但是表面纖維特性的重要性在于它的剛性, 對帶齒剛性起分布作用, 因此, 這剛性應盡可能高。耐疲勞性也應盡可能高, 以避免齒根斷裂失效。 摩擦性能將確定輪帶間的摩擦。 尼龍是唯一用作面纖維的材料。雖然不同韌性將增加膠帶不同的性能, 但是越是高韌性的纖維通常提供了更好的使用性能。由于老化效應, 表面纖維的性能在整個帶壽命期間是會變化的。 既然不考慮老化效應, 帶的繩芯性能在整個帶壽命期內也會發生變化。

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