新型多功能V带综合性能测试装备研究

新型多功能V带综合性能测试装备研究

张福霞1， 郇艳1，周燕1，张卫锋2

(1.琴岛学院机械系，山东青岛266106；2. 青岛科技大学机电学院，山东青岛266061)

摘要：基于两轮V带疲劳失效测试，通过不同的机械结构和测试装置实现对三轮、四轮传动方式的疲劳失效和相关参数检测。并通过改变测试带轮的方式实现同步带、圆带等不同传动带的疲劳破坏测试。解决了目前关于V带性能检测方法落后和测试项目单一问题,实现一台设备检测多种性能参数,降低测试设备成本。

关键词:试验机滑动率V带疲劳失效

中图分类号：TH87文献标识码：A

作者简介：张福霞(1979-)，女，工程师，哈尔滨工业大学机械制造专业工学硕士，工程师，研究方向为各种橡胶机械测试机。

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

随着橡胶V带等新型传动带应用的日益广泛,机械化进程对V带等新型传动带的弯曲性能、产品的尺寸稳定性、抗疲劳性及寿命等综合使用性能提出了更高的要求， V带的疲劳试验在V带的综合性能分析中越来越受到重视，成为传动带生产厂家和相关科研单位在新产品开发和质量检测的必检性能参数[1]。但是由于该类设备要求有较高的自动化控制程度, 结构较复杂，测量性能单一, 造价较高等原因,国内只有少数厂家从国外引进了部分该类试验设备和技术。仅就目前国内V带、多楔带和双面V带说, 其综合性能还无法按照相应标准做到较为全面的检测[2]。本项目研究的新型多功能V带测试设备，在解决V带疲劳试验的同时，可以对多种传动带进行疲劳、中心距、测试周长等相关参数进行试验，极大的推动我国对V带疲劳性综合性能及相关参数的测试方法和检测设备的研究，提高我国V带测试行业的整体检测水平，生产更优质的农用V带。

1试验机测试原理

本试验机从滑动率、V带周长测量、中心矩测量三个方面对多种V带进行测量，通过更换带轮的方式，满足多种V带以及同步带、圆形带等多种传动带的检测。

1.1滑动率失效分析

V 带是靠摩擦力来实现传动的,在传动中存在着一个特有的弹性滑动现象，它是由于在传动中, 带轮两边的拉力不相等造成的，导致带与从动轮的速度损失[2]。弹性滑动与载荷、速度、带轮直径和带的结构有关。我们用滑动率ε%表示弹性滑动的大小,一般在1%~2%，弹性滑动率超过一定值，会造成磨损加剧、严重影响带的寿命[4]。为了适应不同类型带的综合性能实验，实验机可满足两轮、三轮(含一个张紧轮)、四轮(两个张紧轮)滑动率及相关参数的测量，两轮和三轮测试原理如图1所示。滑动率的计算公式如下式[5]：

ε=((F1-F2)/EA)·100%=(F/EA)·100%

=((d1n1-d2n2)/d1n1)·(100%)

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

(1)

式中：F1为紧边拉力；F2为松边拉力；F为有效拉力；E为弹性模量；A为橫截面积；d1为主动轮直径；d2为从动轮直径；n1为主动轮转速；n2为从动轮转速。

(a)两轮测试原理图　　　　　(b)三轮测试原理图 图1　滑动率测试原理图

由(1)式中可以看出,紧边拉力越大，弹性滑动越大，滑动率(%) 就越大, 有效拉力即为带传动中的载荷, 所以带中传动的载荷越大，滑动率(%)就越大。V带疲劳性综合性能的试验机利用从动机提供载荷在整个系统中传递。随着载荷的增大，转速n2变小，滑动率增大。

目前国内外胶带疲劳试验机都是采用机械结构传递扭矩(载荷)的,采用单电机驱动，试验机有两套不同传动比的带结构,一套是传动带装置,一套是试验带装置,传动和加载都由交流电机完成[6,7]。但单电机既提供驱动又提供负载，功率消耗较大，同时，由于采用联合驱动方式进行加载，控制精度较难掌握。根据疲劳失效原理, 多功能V带疲劳试验机采用主电机(交流)驱动，从动电机(直流电机)加载的设计思路。试验中主动轮通过交流电机进行驱动，主动轮带动测试轮旋转。载荷( 扭矩)由从动电机提供, 使得从动轮转速随载荷的增大而降低，主动电机和从动电机之间通过信息传输,通过主动轮和从动轮的转速，计算出滑动率。功率计算公式如下：

P=T·n/9550

(2)

式中：P—带轮功率,kW；T—带轮扭矩，N·m；n—带轮转速,r/min。

由于在试验过程中，从动电机所提供的仅仅是克服系统摩擦所需的阻力, 因此具有明显的节能、高精度、操作方便等优点。按照国家标准，试验中V带失效(带体翻转、断裂等)而无法运转或V带滑动率达到10%时，终止试验并记录连续运转的累积小时数，作为疲劳寿命试验结果。

1.2中心距失效分析

图2　两轮中心距测量示意图

主动轮在主动电机的驱动下旋转，测试带安装在试验机主动轮和从动轮的轮槽中，对从动轮施加牵引力F，V带由于长时间旋转后带的总长度会增加，如果两带轮中心距不变，势必会引起传动带松弛，张紧力不够而打滑，通过测量两带轮中心距增加可以计算由于带的增长量，当带轮中心距增大到标准规定增长长度时，试样失效，如图2所示[8,9]。中心距增长公式如下：

ΔE=E1-E

(3)

ΔE：中心距增量；E1：增长后中心距；E：初始中心距。

2疲劳试验机的研制及结构组成

2.1结构组成介绍

疲劳试验机根据标准要求,通过上位机控制主动和从动电机，测试系统及机械装置完成相关参数的测定。其结构组成主要包括： 1机座，2运动机构，3加载张紧机构， 4电机传输系统，5电气控制系统，6工控机及显示器等组成。整体工作原理图如图。

图3　整体工作原理图

2.2控制部分介绍

整个控制系统由上位机控制，通过PLC可编程控制器、交流变频、直流控制器、光电传感器、编码器等组成。整个试验过程通过工控机程序控制, 自动在软件控制界面显示滑动率、扭矩、测定时间、转速、传动功率等参数。该系统采用模块化设计、人机对话、 交互输入参数, 可在满足农用带的基础上，进行模块添加，实现汽车带、同步带等检测， 简化工作人员的工作量, 符合当今控制的趋势[3]。变频器电气原理图如图4所示。

图4　变频器控制电气原理图

3试验结果分析

根据用户要求,对某一样品进行测试,其工况要求为:

1)型号:农用HK型V带，周长2 700 mm。

2)环境条件：室温16℃ 。

3)胶带运行速度：V=16.30 m/s。

4)主动轮转速:1 750 r/min。

5)从动轮负载:17.14 kW。

6)张紧力：1 156 N。

对试样进行测试，测试结果如图5、表1所示。通过试验，试样满足工作状态下国家标准的各项参数性能指标。图5显示在额定负载下，经过6 h运转，滑动率增大到3.6%，满足小于10%的滑动失效极限值；同时，结果还给出中心距变化量5.06 mm，带的伸长长度为4.12 mm。均满足V带检测标准性能要求，试验结果也符合理论数值。该疲劳试验机的研制，解决了长期困扰的农用V带检测问题，对于农用V带滑动率标准的修订、试验方法确定及检测技术的国产化都有着重要的理论及工程应用价值。

图5　V带疲劳试验界面

表1

V带疲劳寿命试验报告

4结论

1)多功能农用V带疲劳试验机的研制，实现了一机多用的设计思路，在满足设计要求的前提下，大大降低了设备成本和测试成本，为V带测试设备国产化提供了理论依据和数据支持。

2)整机采用模块化的设计，通过更换测试装置，可以满足多楔带、汽车带等其它传动带的测试要求。

3)采用新型的机械结构、加载方式、控制方式，满足中心距(300 mm~3 000 mm)超大行程范围的V带疲劳试验的检测。

参考文献

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