傳動帶(同步帶、多楔帶)的性能與失效

傳動帶(同步帶、多楔帶)的性能與失效
郭柏炎　編譯 　　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(fù)合過程, 結(jié)合不同股數(shù)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(guān)鍵詞: 　同步帶, V 型多楔帶, 失效, 壽命, 模型

1. 簡介
傳動帶已從原有接頭的皮革帶, 發(fā)展到今天的平帶、 V 帶、 V 型多楔帶和同步帶。它可應(yīng)用于各個方面, 如印刷機、 洗衣機、內(nèi)燃機和面粉磨機等等。傳動帶已經(jīng)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(jié)構(gòu)如圖1 所示。 圖1 (a)是當(dāng)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(xiàn)在大多數(shù)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(fù)合物構(gòu)成帶背材和帶齒根塊。
 
(a)圓弧形齒同步帶　(b)梯形齒同步帶
圖一 同步帶結(jié)構(gòu)
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(chǎn)生噪聲, 以致不能使用。下面依次考察這些情況產(chǎn)生的原因。1. 膠帶機械性失效——英國汽車協(xié)會原材料實驗室發(fā)現(xiàn), 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(lián)系的情況進(jìn)行歸類, 并把它們出現(xiàn)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(jié)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(tǒng)失效問題, 而非膠帶本身失效。因此, 它們在表2 中不統(tǒng)計。而帶磨耗是不能作為嚴(yán)重失效狀況出現(xiàn)在表 1 中的, 而兩表中都出現(xiàn)的問題則必須予以重視。不能等到膠帶工作到出現(xiàn)嚴(yán)重失效狀態(tài)時, 才按規(guī)定要求替換它們。
       從兩表中可清楚地發(fā)現(xiàn): 齒根斷裂是膠帶普遍的失效狀況。本文提出同步帶失效產(chǎn)生的二種機理, 認(rèn)為先是齒根面上纖維疲勞并斷裂,緊接著是齒彈性復(fù)合物斷裂的快速蔓延, 使整個彈性復(fù)合物——繩芯界面脫離, 帶齒不再能承受負(fù)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(jīng)常由于纖維的磨損而加速發(fā)生, 殘留的纖維材料承受著負(fù)荷。L izuka5報告也描述了上述二種機理。 第二個機理產(chǎn)生齒根斷裂, 它最初出現(xiàn)在紗線中的繩芯界面上。 斷裂起初是從這個區(qū)域蔓延, 首先進(jìn)入齒的彈性復(fù)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(jìn)行膠帶壽命測試中發(fā)生的, 在試驗中觀察到, 在實施更高力矩時, 表面纖維就產(chǎn)生疲勞, 當(dāng)膠帶圓弧齒嚙合在皮帶輪上時, 紗線界面發(fā)生的初斷裂與嚙合處的同步帶最大程度彎曲有關(guān)。
      有大量關(guān)于機械問題產(chǎn)生帶繩芯的失效機理的報道。 認(rèn)為這些膠帶處在太高的張力下, 以致繩芯不能支持負(fù)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(nèi)部單絲纖維磨損和降低繩芯拉伸強度, 最終導(dǎo)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(dāng)膠帶邊上脫粘的繩芯陷入帶和帶輪之間時就會導(dǎo)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(fù)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(dāng)帶齒和表面纖維從膠帶芯上分離時, 就會發(fā)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(lián)系在一起, 但是L izuka觀察到起源是從繩芯失效而發(fā)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(fù)載要求的程度。
       有興趣的事, 膠帶內(nèi)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(jīng)常被磨損) , 自身磨耗和彈性復(fù)合物失效是與粘合強度無關(guān)的。

2. 噪聲產(chǎn)生的機理——同步帶產(chǎn)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(dāng)帶齒嚙合在輪槽上時, 空氣流過同步輪間產(chǎn)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(chǎn)生噪聲的主要噪聲源。調(diào)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(chǎn)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(jié)果是增加噪聲值。 因為膠帶振動將產(chǎn)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常可看作次要的噪聲源。
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(shù)膠帶運行的機械模型取膠帶節(jié)距上啟始點的負(fù)荷平衡,通常包含帶張力、 齒負(fù)載和輪帶間的摩擦, 以及膠帶在齒嚙合開始和結(jié)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(jié)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(fù)載和齒的偏歪通常也與齒的韌性有聯(lián)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(guān)。 帶齒的韌性、 帶的延伸韌性和輪帶間的摩擦系數(shù)結(jié)合在一起決定了帶的性能, 并考慮輪帶的嚙合程度, 產(chǎn)生一個平衡系統(tǒng)。 然后就能得出一個膠帶張力、 齒負(fù)載以及齒在輪帶接觸點附近位置處的偏差數(shù)據(jù)。

(a) 負(fù)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(shù)據(jù)一般用單獨的一個齒對一個輪槽或部分輪槽的負(fù)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(fù)載研究齒的韌性。但輪帶間的摩擦系數(shù)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(shù)值的范圍在0. 2～ 0. 4 之間。
 
圖 4　有限元模型研究
(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(tài)時的情況。帶齒從非嵌入狀態(tài)到全嵌入狀態(tài)進(jìn)入輥輪, 離開時情況正好相反,上面僅講述了齒全嵌入狀態(tài)時特征。在部分嵌入狀態(tài)下, 帶齒特征模型已由Koyam a et al22、Kago tan i et al23和Ch ilds24進(jìn)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(tài)特性模型首先是, 隨膠帶特性和幾何形狀改變, 膠帶負(fù)載呈周期的變化, 或是帶輪的離心。 負(fù)載的周期性升高是通過 “多邊形效應(yīng)” 產(chǎn)生的。 它從帶齒節(jié)線升起, 不延著輪齒節(jié)園, 或由兩輪齒節(jié)園間的切線所限定的軌跡升高。該效應(yīng)的運動學(xué)模型由P lay27建立, 也是部分嵌入嚙合的重要理論依據(jù)。 這些效應(yīng)不管是否有動態(tài)力矩傳動都會引起帶上的動態(tài)負(fù)載。動態(tài)力距的效應(yīng)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(shù)據(jù), 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(jié)距端, 對帶芯施加不同的張力, 使帶上產(chǎn)生靜態(tài)負(fù)載。見圖4 (a)。通過施加到帶輪邊中心節(jié)上的應(yīng)力和重復(fù)過程產(chǎn)生的摩擦, 來建立帶輪與帶節(jié)距互相作用的模型。繩芯和彈性復(fù)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(jié)距的靜態(tài)模型。在全帶齒節(jié)距結(jié)構(gòu)內(nèi), 彈性復(fù)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(jié)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(dǎo)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(tài)張力施加在帶齒節(jié)距端, 導(dǎo)入齒負(fù)載。 在這種情況下, 彈性復(fù)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(tài)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(tài)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(fù)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(guān)鍵性的問題。 最通常要考慮的是彈性復(fù)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(fù)合膠帶。
　　彈性復(fù)合體和纖維的應(yīng)力——應(yīng)變行為也是研究的領(lǐng)域。分析的目的是研究齒的負(fù)載和偏歪, 不需詳細(xì)的材料描述, 而需要實際檢查一個齒根表面纖維的應(yīng)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(huán)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(shù)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(nèi)。
3. 振動模型——同步帶振動行為的模型集中在二個區(qū)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(dāng)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(jìn)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(tǒng)分解為彈性、 質(zhì)量和阻尼體積, 并以此研究這些模型的發(fā)展, 并能將帶的動態(tài)張力與帶在凸輪和其它帶輪上的動態(tài)效應(yīng)合在一起進(jìn)行研究。Mon ter no t et al36將動態(tài)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(fù)荷和帶齒偏移的影響進(jìn)行研究。
      在這二種不同方法中, 彈性和阻尼系數(shù)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(fù)載作用。Mon terno t et al則是從單個齒的總效應(yīng)以及膠帶跨度韌性出發(fā), 研究了球型彈性和阻尼系數(shù)。
  C. 膠帶性能評估
      1. 膠帶壽命——有些著作已經(jīng)證實某些參數(shù)是與帶壽命有直接的關(guān)系, 可通過一個線性儀表記錄帶壽命與參數(shù)間的關(guān)系。Koyam aet al37研究了不同齒節(jié)距與帶壽命間的關(guān)系。 發(fā)現(xiàn)選擇齒節(jié)距不同的齒形可使齒產(chǎn)生平坦的負(fù)載分配, 可能獲得最大帶壽命, 最佳齒節(jié)距不同值是在帶齒節(jié)距長度比輪齒節(jié)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(guān)心的是繩芯失效。他介紹了繩芯表面應(yīng)力與帶壽命間的關(guān)系。Ch ilds et al4研究齒負(fù)載與因齒根斷裂影響帶壽命之間的關(guān)系。他的結(jié)論是從帶輪上進(jìn)入——出去的齒負(fù)載對帶壽命是一個重要的有效參數(shù)。但是它與在齒負(fù)載和帶壽命因驅(qū)動和被驅(qū)動失效之間的聯(lián)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(jié)果表明具有不同的彈性復(fù)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(guān)系是相同的。 Dalgarno et al結(jié)合膠帶熱老化效應(yīng)的研究, 檢查了纖維分裂和繩芯分層失效。發(fā)現(xiàn)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(lián)系。作者的結(jié)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(chǎn)生的帶失效。研究了有效應(yīng)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(guān)系。該失效不管是否是驅(qū)動還是被驅(qū)動都是相同的。Kido et al7用有限元技術(shù)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(guān)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(biāo)值, 研究了帶曲率與帶壽命間的關(guān)系。雖然驅(qū)動與被驅(qū)動失效的關(guān)系是不相同的, 但著者的觀點是二種測試法: 有效應(yīng)變和帶曲率, 可能它們之間有內(nèi)在聯(lián)系。 并認(rèn)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(yīng)變之間的直接聯(lián)系已在Dalgarno et al29書中表明。纖維應(yīng)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。可用磨耗機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(jié)2. A. 1, 但必須排除彈性復(fù)合物的斷裂。
       2. 噪聲——Kaiser et al13和Koyam a et al3介紹了膠帶產(chǎn)生噪聲的詳細(xì)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(cè)向振動激發(fā)而產(chǎn)生的。Kaiser et al13和W atanabe et al34的模型能被用來預(yù)測可能產(chǎn)生的激發(fā)頻率。
     D 膠帶結(jié)構(gòu)設(shè)計
     實質(zhì)上, 這么多年來只有二種方法可以改善同步帶的性質(zhì), 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(nèi)最有意義的帶形狀改變, 是從梯形齒形帶變?yōu)閳A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(rèn)為圓弧齒形使膠帶處于最佳的負(fù)載分配狀態(tài)。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(jìn)行了參數(shù)分析, 來研究不同部分的帶齒——輪槽的幾何形狀對齒負(fù)載的影響。他們的結(jié)論是對齒負(fù)載影響的最大參數(shù)是: 齒節(jié)距不同, 帶齒節(jié)距長、 帶輪半徑和從帶表面區(qū)域到繩芯中央的距離。 Ch ilds et al24也引用了節(jié)線長差異作為一個重要參數(shù), 它的增加似乎要降低帶的壽命。
       Koyam a et al15和W atanabe et al34經(jīng)實踐和理論研究, 證實帶的密度變化對噪聲會產(chǎn)生不同的效果。結(jié)論是膠帶密度變化將有效地降低帶橫向振動的激發(fā)作用。與輪帶結(jié)構(gòu)有聯(lián)系的, 如用桶形, 錐形或橢園形的輪可在更大的頻率范圍內(nèi)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(jié)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(fù)載下帶齒偏歪小。 膠帶延伸剛性也應(yīng)當(dāng)高, 而高的帶延伸剛性將降低齒節(jié)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(guān)系, 結(jié)論是膠帶的延伸剛性是由加強繩芯的剛性決定的。彈性復(fù)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(yīng)和動態(tài)負(fù)載也是重要因素,當(dāng)考慮膠帶采用何種材料時。這二種因素也要考慮在內(nèi)。 A be et al42注意到由于熱的產(chǎn)生對繩芯造成的滯后效應(yīng), 將會使膠帶的溫度比環(huán)境溫度高出30 ° C。
       在大多數(shù)出版研究膠帶原材料的文章, 關(guān)注的是彈性復(fù)合物以及復(fù)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(fù)合物材料。由于烷基氯磺化聚乙烯因其高溫特性也被應(yīng)用, 乙烯丙烯酸共聚彈性體也被應(yīng)用于同步帶。
       對于彈性體性能造成的帶失效, 建議將動態(tài)儲存模量和耐斷裂作為同步帶彈性復(fù)合物最重要的二個特性。 要使齒的變形最小, 齒的剛性應(yīng)盡可能高。 帶齒的負(fù)載時的速率, 即動態(tài)齒剛性的測量是重要的。老化效應(yīng)意味著齒剛性在整個帶壽命期內(nèi)正常增加, 最小的變形將造成在整個帶壽命期內(nèi)齒平均剛性為最高。這也就是意味為避免齒變形相關(guān)的失效。在整個帶壽命期內(nèi), 彈性復(fù)合物的平均動態(tài)儲存模量應(yīng)僅可能的高。 在另一種失效模形發(fā)生之前, 應(yīng)建立平均動態(tài)儲存模量, 此值在實踐中有限制。 在本章節(jié) 2. A. 1 討論膠帶壽命測試研究時認(rèn)為該限制可以消除。建議使用芳綸漿加強彈性復(fù)合物, 可達(dá)到高彈性復(fù)合模量。 彈性復(fù)合物另一個經(jīng)常提到的性能就是耐油性。因油的關(guān)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(yīng)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(wěn)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(yīng)盡可能高。耐疲勞性也應(yīng)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(yīng), 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(yīng), 帶的繩芯性能在整個帶壽命期內(nèi)也會發(fā)生變化。【待續(xù)】