新型多功能V帶綜合性能測試裝備研究

張福霞1， 郇艷1，周燕1，張衛(wèi)鋒2

(1.琴島學(xué)院機(jī)械系，山東青島266106；2. 青島科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，山東青島266061)

摘要：基于兩輪V帶疲勞失效測試，通過不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)和測試裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)三輪、四輪傳動(dòng)方式的疲勞失效和相關(guān)參數(shù)檢測。并通過改變測試帶輪的方式實(shí)現(xiàn)同步帶、圓帶等不同傳動(dòng)帶的疲勞破壞測試。解決了目前關(guān)于V帶性能檢測方法落后和測試項(xiàng)目單一問題,實(shí)現(xiàn)一臺(tái)設(shè)備檢測多種性能參數(shù),降低測試設(shè)備成本。

關(guān)鍵詞:試驗(yàn)機(jī)滑動(dòng)率V帶疲勞失效

中圖分類號(hào)：TH87文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：張福霞(1979-)，女，工程師，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造專業(yè)工學(xué)碩士，工程師，研究方向?yàn)楦鞣N橡膠機(jī)械測試機(jī)。

收稿日期：2015-04-16

Study on a new multifunction V-belt comprehensive performance testing machine

ZHANG Fuxia，HUAN Yan，ZHOU Yan，ZHANG Weifeng

Abstract:The research was based on V-belt fatigue failure test of two belt wheels, then the detection of fatigue failure and related parameters for 3/4-belt wheel transmission was carried out through different mechanical structure and testing device. And the transmission belt fatigue test of synchronous belt, round belt was realized by changing the belt wheel mode. The problems that the detection method is backward and testing covers only partial items at present are solved，and a variety of performance parameters of detection can be done by one equipment with lower cost of equipment.

Keywords:testing machine; sliding rate; V-belt; fatigue failure

隨著橡膠V帶等新型傳動(dòng)帶應(yīng)用的日益廣泛,機(jī)械化進(jìn)程對(duì)V帶等新型傳動(dòng)帶的彎曲性能、產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性、抗疲勞性及壽命等綜合使用性能提出了更高的要求， V帶的疲勞試驗(yàn)在V帶的綜合性能分析中越來越受到重視，成為傳動(dòng)帶生產(chǎn)廠家和相關(guān)科研單位在新產(chǎn)品開發(fā)和質(zhì)量檢測的必檢性能參數(shù)[1]。但是由于該類設(shè)備要求有較高的自動(dòng)化控制程度, 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，測量性能單一, 造價(jià)較高等原因,國內(nèi)只有少數(shù)廠家從國外引進(jìn)了部分該類試驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)。僅就目前國內(nèi)V帶、多楔帶和雙面V帶說, 其綜合性能還無法按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)做到較為全面的檢測[2]。本項(xiàng)目研究的新型多功能V帶測試設(shè)備，在解決V帶疲勞試驗(yàn)的同時(shí)，可以對(duì)多種傳動(dòng)帶進(jìn)行疲勞、中心距、測試周長等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，極大的推動(dòng)我國對(duì)V帶疲勞性綜合性能及相關(guān)參數(shù)的測試方法和檢測設(shè)備的研究，提高我國V帶測試行業(yè)的整體檢測水平，生產(chǎn)更優(yōu)質(zhì)的農(nóng)用V帶。

1試驗(yàn)機(jī)測試原理

本試驗(yàn)機(jī)從滑動(dòng)率、V帶周長測量、中心矩測量三個(gè)方面對(duì)多種V帶進(jìn)行測量，通過更換帶輪的方式，滿足多種V帶以及同步帶、圓形帶等多種傳動(dòng)帶的檢測。

1.1滑動(dòng)率失效分析

V 帶是靠摩擦力來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的,在傳動(dòng)中存在著一個(gè)特有的彈性滑動(dòng)現(xiàn)象，它是由于在傳動(dòng)中, 帶輪兩邊的拉力不相等造成的，導(dǎo)致帶與從動(dòng)輪的速度損失[2]。彈性滑動(dòng)與載荷、速度、帶輪直徑和帶的結(jié)構(gòu)有關(guān)。我們用滑動(dòng)率ε%表示彈性滑動(dòng)的大小,一般在1%~2%，彈性滑動(dòng)率超過一定值，會(huì)造成磨損加劇、嚴(yán)重影響帶的壽命[4]。為了適應(yīng)不同類型帶的綜合性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)機(jī)可滿足兩輪、三輪(含一個(gè)張緊輪)、四輪(兩個(gè)張緊輪)滑動(dòng)率及相關(guān)參數(shù)的測量，兩輪和三輪測試原理如圖1所示?；瑒?dòng)率的計(jì)算公式如下式[5]：

ε=((F1-F2)/EA)·100%=(F/EA)·100%

=((d1n1-d2n2)/d1n1)·(100%)

=(1-n2/n1)(100%)

(1)

式中：F1為緊邊拉力；F2為松邊拉力；F為有效拉力；E為彈性模量；A為橫截面積；d1為主動(dòng)輪直徑；d2為從動(dòng)輪直徑；n1為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速；n2為從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速。

(a)兩輪測試原理圖　　　　　(b)三輪測試原理圖 圖1　滑動(dòng)率測試原理圖

由(1)式中可以看出,緊邊拉力越大，彈性滑動(dòng)越大，滑動(dòng)率(%) 就越大, 有效拉力即為帶傳動(dòng)中的載荷, 所以帶中傳動(dòng)的載荷越大，滑動(dòng)率(%)就越大。V帶疲勞性綜合性能的試驗(yàn)機(jī)利用從動(dòng)機(jī)提供載荷在整個(gè)系統(tǒng)中傳遞。隨著載荷的增大，轉(zhuǎn)速n2變小，滑動(dòng)率增大。

目前國內(nèi)外膠帶疲勞試驗(yàn)機(jī)都是采用機(jī)械結(jié)構(gòu)傳遞扭矩(載荷)的,采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，試驗(yàn)機(jī)有兩套不同傳動(dòng)比的帶結(jié)構(gòu),一套是傳動(dòng)帶裝置,一套是試驗(yàn)帶裝置,傳動(dòng)和加載都由交流電機(jī)完成[6,7]。但單電機(jī)既提供驅(qū)動(dòng)又提供負(fù)載，功率消耗較大，同時(shí)，由于采用聯(lián)合驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行加載，控制精度較難掌握。根據(jù)疲勞失效原理, 多功能V帶疲勞試驗(yàn)機(jī)采用主電機(jī)(交流)驅(qū)動(dòng)，從動(dòng)電機(jī)(直流電機(jī))加載的設(shè)計(jì)思路。試驗(yàn)中主動(dòng)輪通過交流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，主動(dòng)輪帶動(dòng)測試輪旋轉(zhuǎn)。載荷( 扭矩)由從動(dòng)電機(jī)提供, 使得從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速隨載荷的增大而降低，主動(dòng)電機(jī)和從動(dòng)電機(jī)之間通過信息傳輸,通過主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，計(jì)算出滑動(dòng)率。功率計(jì)算公式如下：

P=T·n/9550

(2)

式中：P—帶輪功率,kW；T—帶輪扭矩，N·m；n—帶輪轉(zhuǎn)速,r/min。

由于在試驗(yàn)過程中，從動(dòng)電機(jī)所提供的僅僅是克服系統(tǒng)摩擦所需的阻力, 因此具有明顯的節(jié)能、高精度、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)中V帶失效(帶體翻轉(zhuǎn)、斷裂等)而無法運(yùn)轉(zhuǎn)或V帶滑動(dòng)率達(dá)到10%時(shí)，終止試驗(yàn)并記錄連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的累積小時(shí)數(shù)，作為疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果。

1.2中心距失效分析

圖2　兩輪中心距測量示意圖

主動(dòng)輪在主動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，測試帶安裝在試驗(yàn)機(jī)主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的輪槽中，對(duì)從動(dòng)輪施加牽引力F，V帶由于長時(shí)間旋轉(zhuǎn)后帶的總長度會(huì)增加，如果兩帶輪中心距不變，勢必會(huì)引起傳動(dòng)帶松弛，張緊力不夠而打滑，通過測量兩帶輪中心距增加可以計(jì)算由于帶的增長量，當(dāng)帶輪中心距增大到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定增長長度時(shí)，試樣失效，如圖2所示[8,9]。中心距增長公式如下：

ΔE=E1-E

(3)

ΔE：中心距增量；E1：增長后中心距；E：初始中心距。

2疲勞試驗(yàn)機(jī)的研制及結(jié)構(gòu)組成

2.1結(jié)構(gòu)組成介紹

疲勞試驗(yàn)機(jī)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,通過上位機(jī)控制主動(dòng)和從動(dòng)電機(jī)，測試系統(tǒng)及機(jī)械裝置完成相關(guān)參數(shù)的測定。其結(jié)構(gòu)組成主要包括： 1機(jī)座，2運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，3加載張緊機(jī)構(gòu)， 4電機(jī)傳輸系統(tǒng)，5電氣控制系統(tǒng)，6工控機(jī)及顯示器等組成。整體工作原理圖如圖。

圖3　整體工作原理圖

2.2控制部分介紹

整個(gè)控制系統(tǒng)由上位機(jī)控制，通過PLC可編程控制器、交流變頻、直流控制器、光電傳感器、編碼器等組成。整個(gè)試驗(yàn)過程通過工控機(jī)程序控制, 自動(dòng)在軟件控制界面顯示滑動(dòng)率、扭矩、測定時(shí)間、轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)功率等參數(shù)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)、人機(jī)對(duì)話、 交互輸入?yún)?shù), 可在滿足農(nóng)用帶的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模塊添加，實(shí)現(xiàn)汽車帶、同步帶等檢測， 簡化工作人員的工作量, 符合當(dāng)今控制的趨勢[3]。變頻器電氣原理圖如圖4所示。

圖4　變頻器控制電氣原理圖

3試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)用戶要求,對(duì)某一樣品進(jìn)行測試,其工況要求為:

1)型號(hào):農(nóng)用HK型V帶，周長2 700 mm。

2)環(huán)境條件：室溫16℃ 。

3)膠帶運(yùn)行速度：V=16.30 m/s。

4)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速:1 750 r/min。

5)從動(dòng)輪負(fù)載:17.14 kW。

6)張緊力：1 156 N。

對(duì)試樣進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖5、表1所示。通過試驗(yàn)，試樣滿足工作狀態(tài)下國家標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)參數(shù)性能指標(biāo)。圖5顯示在額定負(fù)載下，經(jīng)過6 h運(yùn)轉(zhuǎn)，滑動(dòng)率增大到3.6%，滿足小于10%的滑動(dòng)失效極限值；同時(shí)，結(jié)果還給出中心距變化量5.06 mm，帶的伸長長度為4.12 mm。均滿足V帶檢測標(biāo)準(zhǔn)性能要求，試驗(yàn)結(jié)果也符合理論數(shù)值。該疲勞試驗(yàn)機(jī)的研制，解決了長期困擾的農(nóng)用V帶檢測問題，對(duì)于農(nóng)用V帶滑動(dòng)率標(biāo)準(zhǔn)的修訂、試驗(yàn)方法確定及檢測技術(shù)的國產(chǎn)化都有著重要的理論及工程應(yīng)用價(jià)值。

圖5　V帶疲勞試驗(yàn)界面

表1

V帶疲勞壽命試驗(yàn)報(bào)告

4結(jié)論

1)多功能農(nóng)用V帶疲勞試驗(yàn)機(jī)的研制，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用的設(shè)計(jì)思路，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，大大降低了設(shè)備成本和測試成本，為V帶測試設(shè)備國產(chǎn)化提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

2)整機(jī)采用模塊化的設(shè)計(jì)，通過更換測試裝置，可以滿足多楔帶、汽車帶等其它傳動(dòng)帶的測試要求。

3)采用新型的機(jī)械結(jié)構(gòu)、加載方式、控制方式，滿足中心距(300 mm~3 000 mm)超大行程范圍的V帶疲勞試驗(yàn)的檢測。

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