同步帶和V型多楔帶的失效狀況（續）

　　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。

　　關鍵詞: 　同步帶, V 型多楔帶, 失效, 壽命, 模型

　　3. V型多楔帶

　　V型多楔帶的基本形狀見圖 5, 好似平帶與帶的復合體, 它綜合了平帶的柔軟性和V帶的強功率傳動性。 此帶的主要組成部分為: 抗拉伸的聚酯繩芯。包住繩芯的緩沖彈性復合物和制成帶楔的彈性復合物。帶楔彈性復合物通過短纖維補強并在軸向上得的增強, 帶的背襯不是彈性體就是纖維背襯。

　　圖 5　V型多楔帶結構

　　考慮到多楔帶與同步帶有相似的地方, 本章節在帶特性模型、 帶的性能評估與預測和帶結構講解前, 先從帶的實驗開始談起。

　　A 實驗研究

　　V型多楔帶有效壽命的確定比同步帶更困難。同步帶的使用壽命實質上是根據同步帶傳動功率的運行時間來定量的。V型多楔帶的有效壽命也可以用運行的時間來定量, 不過它要求在一定的效率下傳動所需的力矩。這個時間可能與膠帶有能力運行的時間不相同。特別是帶如果有滯仃現象, 這時災難性失效就會發生,帶楔會發生徑向斷裂, 使部分帶楔脫落, 如圖6所示。V 型多楔帶失效的一個突出的問題就在于此。 如果失效定義為膠帶不能提供所需效率,這個失效點往往是不固定的, 如圖6 所示, 膠帶在災難性失效到來之前, 不管是常規運行還是發生傳動能力降低都應立即予以調換。對V型多楔帶運行研究已經趨向于集中在三個領域: 帶磨耗、 帶傳動效率和能力以及噪聲。前二個領域通常是有聯系的。

　　圖 6　失效的V 型多楔帶

　　1. 傳動效率、能力和磨耗——V 型多楔帶傳動功率的效率問題, 已經被許多專家實驗調研過。Han s son 觀察了膠帶在第一個 1000 小時的測試使用周期內打滑情況(在驅動輪和被驅動輪間因速度而有不同)。Tabatbaei et al也進行過這種觀察。對帶楔外形變化的觀察可使輪帶間的幾何形狀有更好的匹配。帶楔表面性能的變化有可能增加輪帶間的摩擦系數。

　　Han sson 也觀察到從帶上磨下來的碎屑聚集在輪帶之間的帶楔根處。這將導致輪槽頂端與帶楔根部相接觸, 由此降低驅動力矩的能力。Yu研究了帶的磨耗。提出磨損過程發生在兩個截然不同的階段, 在起初階段, 帶的磨耗很快, 碎屑不斷產生, 然后帶的磨耗比較慢。Tabatabaeiet al 和Gerbet 通過實驗調查了帶楔根部與輪槽頂接觸對帶牽引能力的影響。他倆的結論是,這種接觸將使V型多楔帶的牽引力將下降, 但下降程度不是很大。

　　2. 噪聲產生的機理——Connell 和Ro r rer

　　證實V 型多楔帶上有兩個基本噪聲源: 輪帶間的切線滑動和輪帶間的徑向滑動。在徑向滑動中產生的噪聲進一步分為間隔振動噪聲(50～500HG)、 粘2滑噪聲(800～ 3500HG)和諧波振蕩噪聲(4400～ 5600HG)。當帶進入輪槽時, 間隔振動噪聲和諧波振蕩噪聲又被徑向滑動激發。Moo re 經過觀察, 研究了輪帶間整個切線滑動產生的噪聲, 注意到在這些條件下噪聲與傳動裝置中的無序粘滑有關。他同時也觀察到噪聲的頻率與驅動速度、張力和力矩無關。

　　B V 型多楔帶運行分析

　　與研究同步帶的方法一樣, V型多楔帶運行模型主要有三種, 機械模型、 有限元模型和振動模型。

　　1. 機械模型——同步帶運行的機械模型開始于一個齒上的負載平衡, V型多楔帶運行模型開始于一個帶楔單元上的負載平衡, 如圖 7所示。Am iim a et al從理論上研究了一個帶楔截面中切線負載與帶楔剪切間的關系。發現較大的徑向力能使帶楔支持更大的切向力。但是這里對切向力還是有限制的。V型多楔帶運行的機械模型是由Gerber t, Gerber t 與Hansson共同研制的, 目的是從理論上分析理解帶的打滑原因。Gerber t 證實帶的打滑由四個方面引起。帶的蠕動, 帶的徑向柔曲性, 楔的剪切偏歪和在入位與離位時帶的彎曲剛性效應。在它們處于完全打滑之前, 他研究了這些效應的每個模型。 并有根據地介紹了理論與實踐的關聯, 還證實了非線性材料特性和帶與輪楔角的差異,在模型中予以改進。

　　Gerber t 和Tabatabaei共同研究了幾個模型。檢查了楔根與槽端接觸時對帶的性能產生的影響。二位作者實質上是將平帶當成Í 帶來建立模型的, 但這個接觸發生以后, 他們采用不同的探討方式。Gerber t 假定徑向負載后就產生了接觸。增加在楔根與兩邊上的垂直負載的數量是樣同, 作為對比, Tabatabae 是將多楔帶作為一條平帶與Í 帶復合帶體來研究的,它們也有同樣的徑向移動和不同的徑向剛性。

　　圖 7　V 型多楔帶負載時的橫截面

　　2. 有限元模型——Han sson 首先研究了型多楔帶有限元模型, 觀察了帶彎曲對楔角的影響。 以及帶楔與輪槽間的接觸壓力, 研究楔角變化的Han sson 模型是一個半個帶楔短截面靜態 3D 模型。使用彈性復合物的門尼——R ivlin 和各向異性的材料模型, 該模型將彈性復合物內軸向纖維增強作用考慮在內。輪槽與帶楔互相影響的研究是采用了一個楔橫截面的一半靜態2D 模型。將徑向壓力(相當于抬升輥輪的壓力)施加到帶楔上。輪槽是剛性表面。Han sson 研究了較多模型, 觀察了下列效應( i)楔角的變化( ii)帶磨耗( iii)壓力下, 產生的磨損碎屑在帶楔根部的分布情況。

　　Yu 研究了二輪之間一根完整膠帶半楔運行的3D 靜態模型, 輪是剛性表面。 如圖8 (b)所示。Yu 也研究了一個2D 靜態模型。如圖8 (a)所示。用類似于Han sson 所描述的方式, 研究在帶楔——輪槽壓力下帶的磨耗與磨損碎屑的效應。Moo re 使用門尼——R ivlin 材料模型和2D 靜態模型研究輪帶間的接觸壓力, 他也從帶的彎曲產生的楔角變化上建立模型。發現帶的彎曲沒有引起楔角大的變化。這與Han sson 的結果相矛盾。這是由于Moo re 研究的膠帶在帶楔上沒有用軸向纖維增強的緣故。

　　圖 8　V型多楔帶 2D (a)和 3D (b)有限元模型

　　Connell 和Ro r rer 也用 2D 有限元模型研究了輪帶間的互相作用。并通過模型分析研究了帶的結構諧振頻率。

　　輪帶互相影響的動態模型至今只有L arence 和W ilson 著書敘述, 他們介紹了大量的模型, 這些模型不是全帶運行, 就是在環繞單輪上輪帶間的互相影響。這些研究用一個清晰的動態有限元編碼。該模型是3D 式的, 帶輪是剛性表面。

　　3. 振動模型——V 型多楔帶振動模型主要用來預測帶的間隔諧振頻率。Gasper et al 和Gasper 與Haw ker 介紹的多楔帶運行的集中參數動態模型, 它可用來研究帶的諧振頻率。Yue 應用繩索振動理論觀察了帶繩索的橫向振動。當帶振動時, 修改繩索變化的長度。除帶的共振現象外,Moove 介紹帶楔在剪切中的彈性——整體機械模型, 研究在負載之下多楔帶的粘滑行為。

　　C 膠帶性能評估和預測

　　在本節中, 對V型帶的機械性和噪聲進行討論。

　　1. 帶的機械性——V型多楔帶特性最基本的一個方面是輪帶間的相互作用。Gerber t 在打滑模型中, 將接觸弧分面四個區域, 入口弧區、 粘合弧區(在這里有剪切變形, 但無打滑)、打滑弧區和出口弧區。Yu 證實了三個接觸區: 粘合區, 打滑區,還有一個是在這二者之間的粘合打滑混合區。兩位作者提到帶在進出時與輪產生作用, 將會使帶產生彎曲, 使帶的楔頂部的剛性受到損傷,當帶的彎曲發生快速變化時, 較低程度的帶的彎曲應力將降低帶的能量損失。

　　Gerber t 觀察到當V型多楔帶用作V帶時, 它將有最高的牽引力。 此時輪槽頂部和帶楔根面之間無接觸。由輪槽端——帶楔根因接觸作用產生的徑向力將降低帶楔邊的牽引作用。但降低的程度是很小的, Tabatabaei ei al 在書中通過實驗支持了該結論。在假定帶和輪完全接觸的條件下, Yu 認為一個高摩擦系數, 一個高的帶徑向剛性和較低帶彎曲應力將使Í 型多楔帶有高的牽引能力。Han sson 和Yu 兩位通過有限元模型分析發現, 由于磨耗造成帶形變化將會影響到帶輪接觸壓力。 這也就意味著, 如果帶的牽引能力要在整個帶的使用壽命期內得以維持, 那么磨損要保持在最低程度。

　　2. 噪聲——噪聲因徑向打滑而加劇的情況, 正如Connell和Ro r rer 在書中所述, 它是在帶滑進輥輪時發生的振蕩, 噪聲因粘滑使帶的側面振動激發而加劇。Connell和Ro r rer 注意到噪聲隨著帶輪偏移程度的增加而加劇。在定義帶產生的噪聲時, 摩擦系數和滑動速度之間的關系是很重要的。

　　Moo re 研究了純切線滑動產生的噪聲, 并將噪聲與多楔帶的粘滑行為聯系起來。他的結論是輪帶間的粘滑接觸是產生噪聲的必要條件。噪聲的頻率完全取決于楔內的彈性體的性能。

　　3. 帶的系統結構——Yu 和Connell 以及M eck st ro th 建議改變帶輪的外形。Yu 認為這可預防碎屑產生。Connell和M eck st ro th 認為徑向打滑可減小噪聲。Yu 建議輪槽的形狀應與帶楔相匹配, 以減小帶的磨損碎屑結集在一起的空間。Connell和M eck st ro th 通過實驗發現大幅度改變輪形和表面條件可以降低噪聲,它們的結論是輪槽外形的改變對降低噪聲的產生作用不大, 但是能夠降低因輪的偏歪而產生的噪聲強度。Yu 也介紹了帶的結構, 它將帶楔分為幾個功能區, 每個區要求不同的機械性能。如圖 9 所示, 此思路的關鍵是在楔的中央使用剛性且耐磨的彈性體, 它在輪槽內起Í 帶作用,帶楔根部采用柔剛性彈性體, 這意味著即使在此發生接觸, 大部分接觸壓力將被帶楔的中央部分所吸收, 有限元模型建議采用這種材料, 可使輪帶間沿著帶楔的壓力分配均勻, 并且也能降低帶的磨損。就改善有關膠帶和材料的性能而言。要求它們有低的彎曲應力, 輪帶間高的摩擦系數, 高的帶徑向剛性和耐磨的彈性體。如果強調帶的使用壽命。 那么要避免帶楔斷裂, 建議采用耐疲勞的彈性體復合材料, 特別是在帶楔頂端。根據書本中推薦的特種材料, 用高耐磨耗和高溫特性的烷基化氯磺化聚乙烯, 可制作耐高溫Í 形多楔帶。高飽和性丙烯腈彈性體也被看作是有應用價值的材料。潛在的楔增強材料包括聚酯、 短簾線、 芳酰胺漿, 對于聚酯繩芯材料來說, 已證實無替換物可取代它。

　　圖 9　多楔帶材料的分布

　　4. 觀察和評論

　　有關兩類膠帶的文字敘述, 已清楚地表明我們已理解了膠帶是如何工作和失效的。同時也明了同步帶在機械模型中動態地和部分嵌入嚙合的效應, 并繼續推動膠帶的高溫材料的研制。同樣, 加深理解帶的機械性和接觸條件,是多楔帶研究中重要的課題, 研究的重點主要集中在帶的振動模型和噪聲模型上。

　　對這二種帶型, 繼續推進有限元模型的研究顯得特別引人注目, 我們已收集了復合物的的條件下是承擔得起的。這些因素將使對膠帶的研究能持續多年。未來感興趣的領域是研究帶在整個使用期內是如何運行的。其中有因彈性體老化和繩芯損傷而改變同步帶的性能; 因磨耗和碎屑的作用改變V型多楔帶的接觸條件等。
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