转弯皮带机皮带导引形式研究

上海交通大学机械与动力工程学院 / 王同旭 马贤祥 王海丽

转弯皮带机皮带导引形式研究

上海交通大学机械与动力工程学院 / 王同旭 马贤祥 王海丽

本文在分析当前常用转弯皮带机导引形式优缺点的基础上，结合市场需求，研发设计了一种新型导引形式的转弯皮带机。文章主要介绍了新型转弯皮带机导引形式的结构和工作原理；对转弯皮带机进行了受力分析；确定了结构尺寸，对结构进行有限元分析；通过试验样机测试，说明所设计的新型导引形式是可以有效使用的。

转弯皮带机、导引形式、固定导轮、物流

随着全球竞争环境和客户个性化需求的变化，先进高效的物流系统越来越成为企业增强自身竞争力的核心要素。快递和电商行业的迅猛发展，对仓储拣选系统的技术水平提出了更高的要求。转弯皮带机作为输送分拣系统中不可缺少的一部分，同样面临着速度、噪音、稳定等问题的挑战。本文在充分分析当前常用转弯皮带机导引形式优缺点的基础上，结合市场需求，研发设计了一种新型导引形式的转弯皮带机。

一、研究背景

转弯皮带机是一种在输送分拣系统中广泛应用的设备，连接着输送方向不同的输送线，货物通过输送机传输到转弯皮带机上，转弯皮带机再将货物传输到另一输送线上，改变输送方向，实现输送物品的输送与转向，可充分利用空间宽度，布置多排连续输送线，如图1所示。

转弯皮带机的皮带导引形式主要有移动导轮形式、链条导引形式。

移动导轮形式的转弯皮带机，皮带外圈打圆孔，每个圆孔内安装移动导轮，如图2的a所示，移动导轮嵌在转弯机的圆弧导轨内，如图2的b所示。移动导轮形式的转弯机承载能力相对较低（≤60kg），运行速度相对较低（≤60m/min），噪音较大，移动导轮磨损严重，安装维修较为困难。现在很少采用这种形式的转弯皮带机。

图1 转弯皮带机使用示意图

图2 移动导轮形式转弯皮带机示意图

链条导引形式转弯皮带机，皮带外圈打圆孔，圆孔上铆装钢扣，环形链条的连接扣通过铆钉和垫片与皮带连接，如图3的a所示，环形链条嵌在转弯机的圆弧导轨内，如图3的b所示。链条导引形式的转弯机承载能力较强（≤100kg），运行速度一般（≤90m/min），但其噪音大，安装维修较为困难。

图3 链条形式转弯皮带机示意图

上述两种形式的转弯皮带机，由于自身的缺点，无法满足现代物流行业（尤其是快速发展的电商行业）高速、低噪、重载、装卸维修方便等多方面的要求。因此，本文研发设计了一种新型转弯皮带机导引形式，即固定导轮导引形式。其具有输送速度快、承载能力相对较高、运行平稳、噪音低等优势，能够很好地满足现代物流的发展需求。

二、固定导轮导引形式原理

固定导轮形式转弯机的机架外圈上下分别均匀安装一排导轮组，如图4的a所示。皮带外圈粘附一圈PU包边导条，皮带包边嵌在上下导轮组的两个导轮之间，如图4 的b所示，导轮组起到牵引并导向皮带运转作用，同时防止皮带向内侧偏移。导向装置由轴承滚轮、导轮架、导轮支座组成，轴承滚轮固定在导轮架上，导轮架嵌在导轮支座内，可以轻松调节导轮架在导轮支座上的相对位置（压紧和松开），可快速实现转弯皮带的安装和拆卸，如图4中的c所示。导轮与皮带之间为滚动摩擦，设备运转平稳，振动、噪音小。

前述的移动导轮形式和链条导引形式的转弯皮带机，其导引装置均随着皮带一同运行，且导引装置均需嵌在圆弧导轨中运行，有摩擦、磨损，所以其运行速度受限，运行噪音较大。本文研究的固定导轮导引形式，首先考虑将导向装置均匀布置固定在机架外圈。再设计新型导向装置，既能固定在机架外圈上，又能够牵引和导向皮带运行。然后设计一种圆形PU导条包边，粘附在皮带外圈，PU导条包边嵌在导向装置的上下导轮之间，解决了设备运行时皮带的牵引和导向问题。同时，在皮带和包边粘结处，缝线加强粘结强度。最后，为了避免皮带包边从导向装置中逃脱，又能方便皮带拆卸和安装，完善了导向装置结构，导向装置上设置松开位置和压紧位置，实现皮带的拆卸和压紧安装。

图4 转弯皮带机导向装置布局示意图

三、皮带受力分析

设备运行时，转弯皮带的受力与普通直皮带的受力不同，转弯皮带除了受到与运行方向平行的摩擦力、皮带张力，还受到与运行方向垂直的摩擦力、皮带运转的离心力，以及导向装置的拉力。在运行过程中，转弯皮带受力不均，会出现向内/向外交替偏移趋势，受到的拉力也随之交替变化。转弯皮带的受力分析主要包括空载运行和负载运行受力分析。

1.空载运行受力分析

转弯皮带机空载运行时，皮带受力情况如下，参见图5：

图5 空载运行皮带受力分析示意图

（5）导向装置拉力：导向装置拉紧皮带外包边，防止皮带向内偏移。

a.当皮带有向外偏移趋势时，导向装置拉力最大。

对于90°转弯皮带机，外圈均匀布置了n_1导向装置，则每个导向装置受到的最大拉力：

b.当皮带有向内移趋势时，导向装置拉力最小。

2.负载运行受力分析

同理，额定负载运行，皮带外包边受到离心力F离2、皮带张力F张2、摩擦力F12、摩擦力F22、导向装置拉力F拉2。相对空载，除了皮带自身重量产生离心力和摩擦力，还应包括物品的重量M2产生离心力和摩擦力。另外，由于物品的长度L，在物品对应处的皮带包边受到的拉力值最大。可取箱子对应的扇形面皮带进行分析（物品对应的扇形角为A2），对应的导向装置数量为n2，参见图6。

（2）皮带张力F张2：皮带的张力与空载时相同。

（3）摩擦力F12：皮带有向外/内滑动趋势，皮带与托板间摩擦力。

（4）摩擦力F22：皮带有向外/内滑动趋势，皮带与辊筒之间的摩擦力。

a.当皮带有向外偏移趋势时，导向装置拉力最大。

导向装置拉力Fmax2：导向装置拉紧皮带外包边，防止皮带向内偏移。

图6 负载运行皮带受力分析示意图

b.当皮带有向内移趋势时，导向装置拉力最小。

3.相关技术参数

根据转弯皮带机的使用要求，结合市场需求，以及公司同类产品的规格参数，初步确定了转弯皮带机的相关技术参数，参见图7。同时，与皮带供应商共同探讨，选择了一款PVC皮带（皮带的1%定伸受力a=12N/mm）。为了保证转弯皮带外圈受力尽量小且均匀，设计导向装置间隔3°均匀布置在外圈机架上。

Ri：转弯皮带内圈半径Ri=900mm；Ro：转弯皮带外圈半径Ro=1717mm；

Rc：转弯皮带中心半径Rc=1308.5mm；A：转弯皮带即角度，A=90°；

V：转弯皮带机运行速度，V=90m/min；M物：额定负载，M物=50kg；

L：输送物品长度，L=600mm； S1：上表层皮带的面积；

m1：每平米的皮带重量，m1=2.3kg/m2；M1：上表层皮带的重量；

图7 转弯皮带机外形示意图

μ1：皮带与托板间摩擦系数μ1=0.3；μ2：皮带与辊筒间摩擦系数μ2=0.5；

将上述的相关参数值，分别带入上述公式，计算可得：

空 载 时：Fmax1^'=727.68N；Fmin1'=241.86N；

负 载 时：Fmax2^'=785.59N；Fmin2'=263.03N；

4.导向装置有限元分析

在对皮带进行受力分析计算的基础上，得到每个导向装置在空载和负载运行情况的最大拉力Fmax1^'和Fmax2^'，再对导向装置进行有限元分析。

包边嵌在导向装置内，导向装置上下导轮夹角为120°，其受到的水平拉力F拉，可分解成对导向轮的径向力F径1、F径2。如图8所示。

图8 导向装置受力分析示意图

在进行有限元分析时，可假定导向轮径向力F

径1

、F

径2

平均施加在导向轮的外圆周面上。

图8 导向装置受力分析示意图

（1）在空载运行情况下，以导向装置受到的最大拉力Fmax1^'=727.68N为计算基础进行有限元分析，其应力与形变情况如图9所示。

图9 空载运行导向装置应力与变形分析

（2）在负载运行情况下，以导向装置受到的最大拉力Fmax2^'=785.59N为计算基础进行有限元分析，其应力与形变情况如图10所示。

图10 负载运行导向装置应力与变形分析

通过对导向装置在空载和额定负载运行的情况下进行有限元分析，导轮支座、导轮架的应力和变形相对较小，可判定该结构符合设计和使用要求。

四、样机测试

在完成受力、结构设计以及有限元分析之后，制作样机，然后进行功能测试和稳定性测试，包括运行速度、承重能力以及运行噪音测试。通过测试之后，对测试数据进行分析可得：承重能力≤80kg；运行速度≤120m/min，满足设计和使用要求。转弯皮带机样机测试见图11。

图11 转弯皮带机样机测试

五、结论

采用新型导引形式的转弯皮带机，其导向装置固定在外圈的导轮支撑板上，导向轮不与转弯皮带一同运转，导向装置与转弯皮带之间为滚动摩擦。采用新型导引形式的转弯皮带机运转平稳，振动小、噪音小。采用新型导向装置，可以轻松地调节导轮架在导轮支座中的相对位置，方便快速实现轴承滚轮压紧或松开，极大地提高了装卸与维修效率。采用该导引形式的转弯皮带机的技术水平大大领先于国内同类产品，并达到国际先进水平。