風(fēng)電聚氨酯齒型同步帶性能試驗(yàn)設(shè)計及應(yīng)用

彭立群，林達(dá)文，王 進(jìn)，陳聰聰，陳 剛

[1.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007；2.國家軌道交通高分子材料及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（湖南），湖南 株洲 412007]

風(fēng)電聚氨酯齒型同步帶（以下簡稱同步帶）是一種新型的傳動帶，具有傳動比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油、耐磨、耐老化性能好，不打滑，初張力低，效率高，無需潤滑和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。同步帶主要由金屬鋼絲繩和聚氨酯材料通過高溫、高壓硫化工藝制成，應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變漿系統(tǒng)，是該系統(tǒng)中一個關(guān)鍵的傳動部件。

破斷力和齒體剪切力是同步帶重要的力學(xué)性能，也是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變漿系統(tǒng)正常工作的重要參數(shù)，因此有必要對同步帶性能進(jìn)行研究。

本工作介紹一種鋼絲繩與聚氨酯復(fù)合結(jié)構(gòu)的新型同步帶，以國內(nèi)某企業(yè)送檢的同步帶為研究對象，設(shè)計一種新型試驗(yàn)方案，并且對同步帶性能進(jìn)行了測試，相應(yīng)成果可為同步帶類產(chǎn)品性能試驗(yàn)提供參考[1-9]。

1 同步帶結(jié)構(gòu)

同步帶安裝于風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂與葉片根部之間，其兩端與葉片根部金屬法蘭相連接，通過電機(jī)驅(qū)動同步帶并產(chǎn)生張力，使葉片按照需要的角度進(jìn)行變漿。同步帶安裝位置如圖1所示。

同步帶主要由齒體、芯繩（鋼絲繩）和齒面包布3部分組成（見圖2）。齒體材料為聚氨酯或聚四氟乙烯（PTFE）+聚氨酯，齒面材料為熱塑性樹脂（PA66）或低密度聚乙烯（LDPE）+PA66。本試驗(yàn)同步帶齒體材料采用聚氨酯。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

由于目前還沒有成熟的風(fēng)電齒型同步帶性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)主要參照同類試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 10716—2012《同步帶傳動 汽車同步帶 物理性能試驗(yàn)方法》、GB/T 13487—2017《一般傳動用同步帶》、GB/T 30172—2013《同步帶傳動 安裝技術(shù)規(guī)范》等，因此針對風(fēng)電齒型同步帶成品進(jìn)行非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)計具有非常重要的意義。

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1 窄帶破斷力試驗(yàn)

窄帶破斷力試驗(yàn)是從成品同步帶中截取規(guī)定寬度的試樣進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn)，測試同步帶破壞時的狀態(tài)和最大破壞力。試驗(yàn)按安裝方式分直接夾持、纏繞夾持和齒輪夾持3種。

（1）直接夾持試驗(yàn)。同步帶試樣在電子萬能拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)上下端配有液壓夾具，通過加工帶斜度的齒型夾塊在垂直拉力作用下將拉力轉(zhuǎn)換成水平方向的嚙合力，同時啟用液壓夾緊裝置，將同步帶與工裝夾塊和試驗(yàn)機(jī)夾構(gòu)成一個整體（見圖3），其中試驗(yàn)機(jī)下端為固定端，上端串聯(lián)載荷傳感器與動橫梁一起向上移動，進(jìn)而形成對同步帶的拉伸，并通過傳感器記錄拉伸載荷。這種方式裝置結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，但只適用于拉伸載荷較小的同步帶試驗(yàn)，無法滿足大載荷拉伸試驗(yàn)要求，且試驗(yàn)破壞面主要集中在兩個夾持面，無法反映同步帶中間部位破壞的真實(shí)狀態(tài)，因此有必要改進(jìn)。

（2）纏繞夾持試驗(yàn)（見圖4）。纏繞分斜塊纏繞和螺栓纏繞2種。斜塊纏繞是指在直接拉伸的基礎(chǔ)上將同步帶打折彎曲后繞斜塊纏繞1圈后再夾持，從而達(dá)到增加接觸面積、形成更大摩擦力的目的。但受試驗(yàn)機(jī)夾具尺寸的限制，這種方式只能實(shí)現(xiàn)小尺寸同步帶夾持試驗(yàn)。螺栓纏繞是指設(shè)計一種由平面夾板、齒面夾板和螺栓共同構(gòu)成的專用夾持裝置，先將同步帶纏繞在專用夾持裝置上，并通過螺栓施加預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)第1次預(yù)夾緊，然后將其整體安裝于試驗(yàn)機(jī)夾具上，實(shí)現(xiàn)第2次正式夾緊，其目的是通過2次施加夾緊力以獲取更大的拉伸載荷，滿足同步帶拉伸試驗(yàn)的要求。

（3）齒輪夾持試驗(yàn)。本試驗(yàn)設(shè)計一組齒輪夾持裝置，將同步帶原有的直線接觸方式調(diào)整為弧線接觸方式，通過弧線纏繞實(shí)現(xiàn)同步帶齒面與齒輪的嚙合，這種夾持方式不僅減小了同步帶在夾持面的接觸應(yīng)力，避免同步帶在夾持面提前破壞，而且更加接近實(shí)際安裝工況，能夠更準(zhǔn)確地測試出同步帶破壞時的數(shù)據(jù)，同時試驗(yàn)不需要液壓夾緊裝置，應(yīng)用范圍更廣。

2.2.2 齒體剪切力試驗(yàn)

齒體剪切力試驗(yàn)是測試單個聚氨酯齒體在剪切破壞時的狀態(tài)和最大破壞力。同步帶上端采用齒輪夾持裝置，下端設(shè)計1個可施加壓剪力的可調(diào)試驗(yàn)裝置，該裝置主要由外部固定架、齒型條、調(diào)節(jié)板、PTFE滑板和預(yù)緊螺栓組成（見圖5）。同步帶安裝于調(diào)節(jié)板與齒型條之間，可通過螺栓施加不同的預(yù)緊力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同預(yù)緊力的齒體剪切力試驗(yàn)。

齒體剪切力試驗(yàn)裝置由上夾持裝置、同步帶、框架、夾板、耐磨板、鏡面不銹鋼板、預(yù)緊螺栓組成，見圖6。

2.2.3 屈撓疲勞試驗(yàn)

屈撓疲勞試驗(yàn)是測試同步帶在配重動態(tài)傳動工況下的耐久疲勞壽命。試驗(yàn)設(shè)計具有高度差的齒輪傳動軸承座，將同步帶纏繞于2個齒輪之間，同步帶一端懸置質(zhì)量塊模擬同步帶在傳動過程中的負(fù)載，另一端與液壓油缸連接，通過液壓油缸施加的前后位移促使同步帶在配重工況下實(shí)現(xiàn)動態(tài)傳動，進(jìn)行同步帶的屈撓疲勞試驗(yàn)。屈撓疲勞試驗(yàn)裝置如圖7所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 工裝強(qiáng)度及同步帶應(yīng)力應(yīng)變分析

為檢驗(yàn)試驗(yàn)工裝關(guān)鍵承載件的強(qiáng)度和剛度是否滿足試驗(yàn)要求，針對試驗(yàn)工裝關(guān)鍵承載進(jìn)行靜態(tài)分析。剪切塊和嚙合塊的應(yīng)力、變形云圖分別如圖8和9所示。工裝強(qiáng)度和剛度計算結(jié)果滿足試驗(yàn)要求。

建立帶寬20 mm、5齒同步帶有限元模型，主要針對同步帶在嚙合受力工況的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況進(jìn)行分析，并與試驗(yàn)進(jìn)行比對。同步帶在嚙合力作用下的應(yīng)力、變形云圖如圖10所示。

由圖10可知：同步帶齒面最大應(yīng)力集中在齒底根部，也是同步帶與工裝嚙合接觸的位置，這與試驗(yàn)實(shí)際受力工況基本一致；同步帶齒面最大變形發(fā)生在齒尖處，由于齒尖是純橡膠結(jié)構(gòu)，在嚙合狀態(tài)下最先產(chǎn)生變形并填充齒間間隙，齒體變形與試驗(yàn)情況基本一致。

3.2 破斷力試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)要求：夾在每個夾持器之間的試樣間距應(yīng)大于200 mm，斷裂發(fā)生在試樣被夾持部位時試驗(yàn)無效，同步帶試樣寬度為20 mm。

試驗(yàn)方法：將試樣兩端使用夾持器夾持，以10 mm·min-1的加載速率對試樣施加拉伸載荷，直至試樣被拉斷，記錄試驗(yàn)過程中試樣拉伸變化情況、最大破壞變形、載荷以及破壞狀態(tài)。

3.2.2 破斷變形與載荷特性

同步帶破斷變形與載荷曲線如圖11所示。

由圖11可知，同步帶破斷力試驗(yàn)分初始加載、持續(xù)拉伸和破斷3個階段。初始加載階段變形集中在0～10 mm范圍內(nèi)，此時同步帶正由松弛狀態(tài)調(diào)整至張緊狀態(tài)，夾具與同步帶正處于初步嚙合狀態(tài)，同步帶的拉伸載荷隨拉伸變形的增大而增大，其中在拉伸變形8 mm前曲線上出現(xiàn)鋸齒，這是因?yàn)橥綆c夾具接觸時產(chǎn)生初始變形，隨著拉伸變形的持續(xù)增大，曲線變得更加光滑、鋸齒消除。持續(xù)拉伸階段是同步帶最重要的承載階段，此時的拉伸載荷主要由內(nèi)置的鋼絲繩和表面的聚氨酯共同承擔(dān)，在持續(xù)拉伸階段載荷隨變形增大而明顯變化，對應(yīng)的曲線斜率也越來越大，這表明同步帶的剛度也隨之增大，對應(yīng)的剛性越來越好，相應(yīng)的彈性變形也越來越小。剛度也是最能體現(xiàn)同步帶承載性能的重要參數(shù)。

破斷特性是同步帶的極限參數(shù)，是表征同步帶在極限拉伸狀態(tài)下的最大承載能力和變形，也是同步帶安全性的重要指標(biāo)。由圖11可知，1#和2#試樣分別在75和67 kN載荷下發(fā)生破斷，對應(yīng)的變形分別為23和24 mm，且破斷的拐點(diǎn)非常明顯，即在發(fā)生破斷前沒有出現(xiàn)類似金屬材料的屈服特性，發(fā)生破斷后變形停止增大，載荷急劇下降，因此準(zhǔn)確測試出同步帶的最大破斷載荷對相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計具有非常重要的意義。

從1#和2#試樣的變形與載荷曲線一致性來分析，2個試樣的拉伸載荷隨變形增大而變化的趨勢基本一致，2條曲線均分為初始加載、持續(xù)拉伸和破斷3個階段，且3個階段對應(yīng)的斜率也基本一致，這表明該結(jié)構(gòu)同步帶的制樣工藝和性能是穩(wěn)定的。

3.2.3 試驗(yàn)過程狀態(tài)

同步帶破斷力試驗(yàn)主要通過拉伸方式來測試同步帶的力學(xué)性能參數(shù)，試驗(yàn)過程分加載初期、承載中期和破斷3個部分。在加載初期，同步帶表面的齒并沒有與夾具的齒完全嚙合，隨著拉伸載荷的增大，同步帶與齒輪基本形成一個整體，聚氨酯基本填滿所有齒的間隙，夾持的同步帶兩端最先由松弛狀態(tài)轉(zhuǎn)變成緊固狀態(tài)，尤其是在夾持的內(nèi)側(cè)兩端是應(yīng)力最為集中的區(qū)域，也是最可能導(dǎo)致試驗(yàn)失敗的階段。在承載中期，檢驗(yàn)同步帶鋼絲繩的承載特性，此時工裝夾具的間隙和同步帶的彈性變形已完全消除，處于夾具中間段的同步帶沒有出現(xiàn)異常狀態(tài)。在破斷狀態(tài)，同步帶的破斷位置處于中間段，符合破斷力試驗(yàn)要求。

3.3 齒體剪切力試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)要求：試樣采用長度大于200 mm、寬度為20 mm（或其他尺寸）的窄帶，試驗(yàn)用齒剪切夾持頭輪廓曲線采用與同步帶齒型相同的標(biāo)準(zhǔn)帶齒槽，其寬度應(yīng)大于試樣寬度。

試驗(yàn)方法：將試樣夾持在拉力試驗(yàn)機(jī)的夾持器和齒體剪切裝置上，進(jìn)行試驗(yàn)時，齒剪切頭正好位于相鄰2個同步帶中間并與帶齒緊密貼合，該剪切裝置以相當(dāng)于試樣寬度（單位為mm）157倍的夾緊力（單位為N）將試樣夾緊。啟動試驗(yàn)機(jī)，以40 mm·min-1的加載速率對試樣施加拉伸載荷，直到試樣發(fā)生齒剪切破壞，記錄最大破壞載荷、變形和破壞狀態(tài)。

3.3.2 剪切變形與載荷特性

齒體剪切變形與載荷曲線如圖12所示。

由圖12可知：同步帶齒體在剪切狀態(tài)時，載荷隨拉伸變形增大而增大，其中1#和2#試樣分別在13.2和14.5 kN載荷下發(fā)生剪切破壞；在剪切試驗(yàn)過程中1#和2#試樣的載荷與變形特性曲線基本重合，這表明該結(jié)構(gòu)同步帶齒體結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，具有較好的抗剪切性能。

4 結(jié)語

本工作設(shè)計了鋼絲繩與聚氨酯復(fù)合結(jié)構(gòu)的新型同步帶的破斷力、齒體剪切力和屈撓疲勞試驗(yàn)新方案，裝置結(jié)構(gòu)合理、操作方便、滿足試驗(yàn)要求，能準(zhǔn)確地測試同步帶的性能，試驗(yàn)設(shè)計達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，可為同類產(chǎn)品性能試驗(yàn)設(shè)計及同步帶用骨架材料的試驗(yàn)及研發(fā)提供參考，具有實(shí)用推廣價值。