一种新型皮带张力计的研究和使用

张亚军



一种新型皮带张力计的研究和使用

张亚军

（北京博科测试系统股份有限公司，北京 101102）

为解决机械式皮带张力计在装配皮带时效率低下、不易操作的问题，研究了光电式皮带张力计在皮带装配中的应用效果。首先，通过建立皮带振动的数学模型，推导出皮带的张紧频率计算公式；同时，采用光电式皮带张力计实际检测皮带的张紧度，实际检测值和理论值相对误差小于5%。通过对比研究表明，使用光电式皮带张力计来控制皮带的松紧度，操作简易、可靠性高、可重复性强。

光电式张力计；皮带；张紧力

皮带是工业设备中最常用的传动部件。皮带的种类、宽度不同，会有不同的张紧力。张紧力太小，容易跳齿或打滑，影响传动质量；张紧力太大，皮带紧绷而寿命缩短，也会影响轴承等部件的寿命[1]；所以合适的皮带张紧力是十分必要的。

传统的皮带张紧主要依靠经验法或机械式皮带张力计。经验法依靠工人的手压感觉，人为因素影响较大，装配的一致性无法保障，影响产品质量；机械式皮带张力计操作复杂繁琐，即使测定同一位置，每次的测定值也可能会有很大差异，特别是在不同工人的操作下，而且精度相对较差。光电式张力计的出现使得快捷、可靠的无损检测成为可能。

1 皮带振动的数学模型

置于带轮间的各类型皮带，当被施与撞击或敲击时，静止的皮带产生振动，初期会产生包含了高频成分和冲击成分两种不规则的振动波形，然后逐渐衰减成皮带固有的有规则的波形。因为振动衰减迅速，同时不同频率的振动相互交错，得到皮带的基本波形比较困难[2]。

光电式张力计传感器采样采用激光测振原理，利用光学普遍的折射、反射效应，以传感器的激光束作为发射光源，对振动着的被测体进行点测、线测（二维测量）或三维测量（轮廓测量），测量结果经由张力计内置软件处理后，得出皮带的张紧频率值或张紧力值。

皮带在受到激励时，会作一个扁纱锭型的振动，如图1所示。

图1 皮带的横振动

皮带横向振动的基本波形和张力之间的数学模型建立如下：设有一根细弦张紧于两固定点之间，弦长（后文用跨长表示），两固定点连线方向取为轴，与轴垂直的方向取为轴，如图2所示。

图2 弦的张紧示意图

弦的伸长形变与张力的关系服从胡克定律，则得到弦的振动方程为：

弦横向振动的边界条件为两端处位移为零，即：

式（1）与式（2）构成了皮带横向振动的数学模型。

采用分离变量法[3]，求得式（3）的通解为：

式中：、、为积分常数，由边界条件确定；、为常数，＝/。

将式（2）边界条件代入式（4）得：

式（6）即为皮带振动的特征方程。

由式（6）可求得无限多阶固有圆频率为：

从式（7）可知，皮带的振动频率取决于皮带的质量、跨距、皮带张紧力等因素。张紧力就是根据该原理测定的。

由于弹性波中的高频成分和冲击成分衰减很快，只需要考虑皮带振动的一阶固有频率即可。皮带振动的一阶固有圆频率为：

式中：1为皮带张紧频率，Hz；为带轮间皮带跨度，m；为安装张紧力，N；为皮带单位长度的质量，kg/m。

2 实例验证

以某设备为例，带轮齿形为14M圆弧齿，带宽＝70 mm，＝0.76，带轮之间的皮带跨度为＝623。

根据JB/T 7512.3－1994《圆弧齿同步带传动设计方法》[4]，皮带挠度计算公式为：

＝/64 （10）

计算得＝7.934 mm。

运用插值法得出跨中安装力＝94.55 mm。

图3 皮带安装时的挠度

运用机械式皮带张力计，需要把其放置在皮带跨中，垂直皮带往下加载94.55 N，通过专用工装，确定皮带下挠的距离。根据检测的挠度值，调整带轮皮带的张紧程度，直至检测值和理论计算值一致。机械式皮带张力计测量现场如图4所示。

图4 机械式皮带张力计测量现场

皮带受压后，受力点处于平衡状态，皮带张力在垂直于皮带方向上的分力与机械式张力计加载的力相等，即：

考虑到角度极小，可用tan代替sin。

将各项参数代入式（11），得＝1856.08。

将数值代入式（9），得1＝39.66。

通过光电式皮带张力计实测一组数据，如表1所示。可知，光电式皮带张力计检测值与理论值误差在5%以内，符合较好。且5次检测最大值与最小值相差1.8 Hz，相对理论值，变化比例为4.54%，可见仪器的可重复性比较好。图5为光电式皮带张力计测量现场，只需要敲击或弹击带轮间的皮带，单人就可以操作仪器测量皮带的振动频率，操作十分简易。

表1 光电式张力计实测值

图5 光电式皮带张力计测量现场

3 结语

皮带张紧是设备装配工艺中很重要的步骤，只有合适的皮带张紧力才能保证设备可靠、稳定的运行。采用光电式张力计明确了皮带张紧力安装及检测的标准，确保了产品装配质量的一致性。而且光电式张力计操作简易，可靠性高，可重复性强，不受外界噪音等方面的影响，有效减少因为测量误差导致的皮带打滑、脱落以及断裂等问题的发生。

[1]李峰，刘英林，张冬妮. 基于CST软启动装置的带式输送机动力学分析[J]. 机械，2011（1）：12-17.

[2]马大猷. JJG 455-2000工作测力仪，声学手册[M]. 北京：科学出版社，1983.

[3]韩佩琦，高新存，等. 弦乐器泛音的分析及应用（Ⅰ）[J]. 石河子大学学报，2006，8（4）：503-506.

[4]中华人民共和国机械工业部. JB/T 7512.3－1994《圆弧齿同步带传动设计方法》[S]. 北京：中国标准出版社，1994.

TheResearch and Usage of aNew Type of Belt Tensiometer

ZHANG Yajun

(BBK Test Systems Co.,Ltd., Beijing 101102, China )

In order to solve the problem that the mechanical belt tensiometer is not efficient and not easy to be operated when assembling the belt, this paperstudies the application effect of photoelectric belt tensiometer in belt assembly. Firstly, by establishing the mathematical model of belt vibration, the calculating formula of tension frequency of belt is deduced. At the same time, the belt tension is actually detected by using the photoelectric belt tension meter, and the relative error of the actual detection value and the theoretical value is less than 5%. Through the comparative study show that the usage of photoelectric belt tensiometer to control the tension of the belt, easy to operate, high reliability, strong repeatability.

photoelectric belt tensiometer；belt；tension

TH237

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.11.016

1006－0316 (2018) 11－0065－03

2017－12－11

张亚军（1982－），男，湖北钟祥人，硕士，主要研究方向为汽车检测设备和起重机械等。