风电聚氨酯齿型同步带性能试验设计及应用

彭立群，林达文，王 进，陈聪聪，陈 刚

[1.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007；2.国家轨道交通高分子材料及制品质量监督检验中心（湖南），湖南 株洲 412007]

风电聚氨酯齿型同步带（以下简称同步带）是一种新型的传动带，具有传动比准确，结构紧凑，耐油、耐磨、耐老化性能好，不打滑，初张力低，效率高，无需润滑和维护方便等优点。同步带主要由金属钢丝绳和聚氨酯材料通过高温、高压硫化工艺制成，应用于风力发电机组变浆系统，是该系统中一个关键的传动部件。

破断力和齿体剪切力是同步带重要的力学性能，也是保证风力发电机组变浆系统正常工作的重要参数，因此有必要对同步带性能进行研究。

本工作介绍一种钢丝绳与聚氨酯复合结构的新型同步带，以国内某企业送检的同步带为研究对象，设计一种新型试验方案，并且对同步带性能进行了测试，相应成果可为同步带类产品性能试验提供参考[1-9]。

1 同步带结构

同步带安装于风力发电机轮毂与叶片根部之间，其两端与叶片根部金属法兰相连接，通过电机驱动同步带并产生张力，使叶片按照需要的角度进行变浆。同步带安装位置如图1所示。

同步带主要由齿体、芯绳（钢丝绳）和齿面包布3部分组成（见图2）。齿体材料为聚氨酯或聚四氟乙烯（PTFE）+聚氨酯，齿面材料为热塑性树脂（PA66）或低密度聚乙烯（LDPE）+PA66。本试验同步带齿体材料采用聚氨酯。

2 实验

2.1 试验标准

由于目前还没有成熟的风电齿型同步带性能试验标准，试验主要参照同类试验标准：GB/T 10716—2012《同步带传动 汽车同步带 物理性能试验方法》、GB/T 13487—2017《一般传动用同步带》、GB/T 30172—2013《同步带传动 安装技术规范》等，因此针对风电齿型同步带成品进行非标试验设计具有非常重要的意义。

2.2 试验方案

2.2.1 窄带破断力试验

窄带破断力试验是从成品同步带中截取规定宽度的试样进行拉伸破坏试验，测试同步带破坏时的状态和最大破坏力。试验按安装方式分直接夹持、缠绕夹持和齿轮夹持3种。

（1）直接夹持试验。同步带试样在电子万能拉力试验机上进行试验，试验机上下端配有液压夹具，通过加工带斜度的齿型夹块在垂直拉力作用下将拉力转换成水平方向的啮合力，同时启用液压夹紧装置，将同步带与工装夹块和试验机夹构成一个整体（见图3），其中试验机下端为固定端，上端串联载荷传感器与动横梁一起向上移动，进而形成对同步带的拉伸，并通过传感器记录拉伸载荷。这种方式装置结构简单、安装方便，但只适用于拉伸载荷较小的同步带试验，无法满足大载荷拉伸试验要求，且试验破坏面主要集中在两个夹持面，无法反映同步带中间部位破坏的真实状态，因此有必要改进。

（2）缠绕夹持试验（见图4）。缠绕分斜块缠绕和螺栓缠绕2种。斜块缠绕是指在直接拉伸的基础上将同步带打折弯曲后绕斜块缠绕1圈后再夹持，从而达到增加接触面积、形成更大摩擦力的目的。但受试验机夹具尺寸的限制，这种方式只能实现小尺寸同步带夹持试验。螺栓缠绕是指设计一种由平面夹板、齿面夹板和螺栓共同构成的专用夹持装置，先将同步带缠绕在专用夹持装置上，并通过螺栓施加预紧力实现第1次预夹紧，然后将其整体安装于试验机夹具上，实现第2次正式夹紧，其目的是通过2次施加夹紧力以获取更大的拉伸载荷，满足同步带拉伸试验的要求。

（3）齿轮夹持试验。本试验设计一组齿轮夹持装置，将同步带原有的直线接触方式调整为弧线接触方式，通过弧线缠绕实现同步带齿面与齿轮的啮合，这种夹持方式不仅减小了同步带在夹持面的接触应力，避免同步带在夹持面提前破坏，而且更加接近实际安装工况，能够更准确地测试出同步带破坏时的数据，同时试验不需要液压夹紧装置，应用范围更广。

2.2.2 齿体剪切力试验

齿体剪切力试验是测试单个聚氨酯齿体在剪切破坏时的状态和最大破坏力。同步带上端采用齿轮夹持装置，下端设计1个可施加压剪力的可调试验装置，该装置主要由外部固定架、齿型条、调节板、PTFE滑板和预紧螺栓组成（见图5）。同步带安装于调节板与齿型条之间，可通过螺栓施加不同的预紧力，进而实现不同预紧力的齿体剪切力试验。

齿体剪切力试验装置由上夹持装置、同步带、框架、夹板、耐磨板、镜面不锈钢板、预紧螺栓组成，见图6。

2.2.3 屈挠疲劳试验

屈挠疲劳试验是测试同步带在配重动态传动工况下的耐久疲劳寿命。试验设计具有高度差的齿轮传动轴承座，将同步带缠绕于2个齿轮之间，同步带一端悬置质量块模拟同步带在传动过程中的负载，另一端与液压油缸连接，通过液压油缸施加的前后位移促使同步带在配重工况下实现动态传动，进行同步带的屈挠疲劳试验。屈挠疲劳试验装置如图7所示。

3 结果与讨论

3.1 工装强度及同步带应力应变分析

为检验试验工装关键承载件的强度和刚度是否满足试验要求，针对试验工装关键承载进行静态分析。剪切块和啮合块的应力、变形云图分别如图8和9所示。工装强度和刚度计算结果满足试验要求。

建立带宽20 mm、5齿同步带有限元模型，主要针对同步带在啮合受力工况的应力和应变分布情况进行分析，并与试验进行比对。同步带在啮合力作用下的应力、变形云图如图10所示。

由图10可知：同步带齿面最大应力集中在齿底根部，也是同步带与工装啮合接触的位置，这与试验实际受力工况基本一致；同步带齿面最大变形发生在齿尖处，由于齿尖是纯橡胶结构，在啮合状态下最先产生变形并填充齿间间隙，齿体变形与试验情况基本一致。

3.2 破断力试验

3.2.1 试验方法

试验要求：夹在每个夹持器之间的试样间距应大于200 mm，断裂发生在试样被夹持部位时试验无效，同步带试样宽度为20 mm。

试验方法：将试样两端使用夹持器夹持，以10 mm·min-1的加载速率对试样施加拉伸载荷，直至试样被拉断，记录试验过程中试样拉伸变化情况、最大破坏变形、载荷以及破坏状态。

3.2.2 破断变形与载荷特性

同步带破断变形与载荷曲线如图11所示。

由图11可知，同步带破断力试验分初始加载、持续拉伸和破断3个阶段。初始加载阶段变形集中在0～10 mm范围内，此时同步带正由松弛状态调整至张紧状态，夹具与同步带正处于初步啮合状态，同步带的拉伸载荷随拉伸变形的增大而增大，其中在拉伸变形8 mm前曲线上出现锯齿，这是因为同步带与夹具接触时产生初始变形，随着拉伸变形的持续增大，曲线变得更加光滑、锯齿消除。持续拉伸阶段是同步带最重要的承载阶段，此时的拉伸载荷主要由内置的钢丝绳和表面的聚氨酯共同承担，在持续拉伸阶段载荷随变形增大而明显变化，对应的曲线斜率也越来越大，这表明同步带的刚度也随之增大，对应的刚性越来越好，相应的弹性变形也越来越小。刚度也是最能体现同步带承载性能的重要参数。

破断特性是同步带的极限参数，是表征同步带在极限拉伸状态下的最大承载能力和变形，也是同步带安全性的重要指标。由图11可知，1#和2#试样分别在75和67 kN载荷下发生破断，对应的变形分别为23和24 mm，且破断的拐点非常明显，即在发生破断前没有出现类似金属材料的屈服特性，发生破断后变形停止增大，载荷急剧下降，因此准确测试出同步带的最大破断载荷对相应结构设计具有非常重要的意义。

从1#和2#试样的变形与载荷曲线一致性来分析，2个试样的拉伸载荷随变形增大而变化的趋势基本一致，2条曲线均分为初始加载、持续拉伸和破断3个阶段，且3个阶段对应的斜率也基本一致，这表明该结构同步带的制样工艺和性能是稳定的。

3.2.3 试验过程状态

同步带破断力试验主要通过拉伸方式来测试同步带的力学性能参数，试验过程分加载初期、承载中期和破断3个部分。在加载初期，同步带表面的齿并没有与夹具的齿完全啮合，随着拉伸载荷的增大，同步带与齿轮基本形成一个整体，聚氨酯基本填满所有齿的间隙，夹持的同步带两端最先由松弛状态转变成紧固状态，尤其是在夹持的内侧两端是应力最为集中的区域，也是最可能导致试验失败的阶段。在承载中期，检验同步带钢丝绳的承载特性，此时工装夹具的间隙和同步带的弹性变形已完全消除，处于夹具中间段的同步带没有出现异常状态。在破断状态，同步带的破断位置处于中间段，符合破断力试验要求。

3.3 齿体剪切力试验

3.3.1 试验方法

试验要求：试样采用长度大于200 mm、宽度为20 mm（或其他尺寸）的窄带，试验用齿剪切夹持头轮廓曲线采用与同步带齿型相同的标准带齿槽，其宽度应大于试样宽度。

试验方法：将试样夹持在拉力试验机的夹持器和齿体剪切装置上，进行试验时，齿剪切头正好位于相邻2个同步带中间并与带齿紧密贴合，该剪切装置以相当于试样宽度（单位为mm）157倍的夹紧力（单位为N）将试样夹紧。启动试验机，以40 mm·min-1的加载速率对试样施加拉伸载荷，直到试样发生齿剪切破坏，记录最大破坏载荷、变形和破坏状态。

3.3.2 剪切变形与载荷特性

齿体剪切变形与载荷曲线如图12所示。

由图12可知：同步带齿体在剪切状态时，载荷随拉伸变形增大而增大，其中1#和2#试样分别在13.2和14.5 kN载荷下发生剪切破坏；在剪切试验过程中1#和2#试样的载荷与变形特性曲线基本重合，这表明该结构同步带齿体结构性能稳定，具有较好的抗剪切性能。

4 结语

本工作设计了钢丝绳与聚氨酯复合结构的新型同步带的破断力、齿体剪切力和屈挠疲劳试验新方案，装置结构合理、操作方便、满足试验要求，能准确地测试同步带的性能，试验设计达到预期目标，可为同类产品性能试验设计及同步带用骨架材料的试验及研发提供参考，具有实用推广价值。