程金林 張德珍 張德偉

（1.臨沂大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化，山東 臨沂276000；2.臨沂大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 臨沂276000；3.臨沂大學(xué)信息學(xué)院， 山東 臨沂276000 ）

0 引言

帶傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)重要的傳動(dòng)形式之一，隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高以及對(duì)機(jī)械設(shè)備輕量化、個(gè)性化、功能化和精密化的要求，帶傳動(dòng)不斷向高速度、高效率、大功率、高可靠性、高精度、長(zhǎng)壽命、低噪音、低振動(dòng)和緊湊化發(fā)展，其傳動(dòng)形式愈來(lái)愈多，應(yīng)用范圍愈來(lái)愈廣。作為帶傳動(dòng)中的主體部件—傳動(dòng)帶也由原來(lái)的易損件向功能件方向轉(zhuǎn)變，在許多場(chǎng)合替代了其他傳動(dòng)形式，其品種規(guī)格也想多樣性發(fā)展。

在我國(guó)， 普通V 帶是主要的傳動(dòng)帶產(chǎn)品， 占V 帶產(chǎn)量的80%以上。 窄V 帶，是美國(guó)蓋茨公司在20 世紀(jì)50 年代開(kāi)發(fā)的一種全新系列高馬力V 帶品種，由于結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)功率大、強(qiáng)力層線繩受力均勻等，很快取代普通V 帶作為V 帶的主要產(chǎn)品，在我國(guó)石油行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 聯(lián)組窄V 帶，就是將幾條相同的窄V 帶由聯(lián)結(jié)層將其頂面聯(lián)為一體而形成的V 帶組，聯(lián)組窄V 具有良好的整體性，各條窄V 帶受力伸長(zhǎng)較均勻，使用壽命長(zhǎng)，尺寸穩(wěn)定，承載能力高，已廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力傳遞，特別是在油田抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

普通V 帶和聯(lián)組窄V 帶傳動(dòng)都是摩擦傳動(dòng)， 這種純摩擦傳動(dòng)必然存在彈性滑動(dòng)及打滑現(xiàn)象。 當(dāng)出現(xiàn)過(guò)載或雨雪天氣時(shí)，帶傳動(dòng)打滑丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象會(huì)更嚴(yán)重，有可能造成皮帶過(guò)早失效甚至出現(xiàn)燒帶被迫停機(jī)的情況。 需要經(jīng)常更換皮帶，這嚴(yán)重影響了機(jī)器的正常生產(chǎn)與機(jī)械效率。 此外，使用V 帶和聯(lián)組窄V 帶還需要經(jīng)常進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，確保有足夠的張緊力以減少打滑和丟轉(zhuǎn)，但如果張緊力過(guò)大，會(huì)增大傳動(dòng)軸的載荷，影響軸承及電機(jī)的壽命，也會(huì)降低傳動(dòng)帶的壽命。因此能否對(duì)帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行突破性的創(chuàng)新研究，尋求一種既能進(jìn)行大功率傳遞又能解決打滑丟轉(zhuǎn)問(wèn)題的傳動(dòng)方案， 是一向意義重大而又艱巨的任務(wù)，也是非常必要的。

1 聯(lián)組同步齒形窄V 帶傳動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

針對(duì)抽油機(jī)帶傳動(dòng)大小帶輪直徑差別大，小輪包角太小，小輪打滑嚴(yán)重，膠帶發(fā)熱、采油效益低下及包布式V 帶摩擦系數(shù)低，易破損，散熱差、頻繁更換等問(wèn)題，研發(fā)了同步齒形聯(lián)組窄V 復(fù)合傳動(dòng)，替代原抽油機(jī)皮帶。 進(jìn)行了前期深入探討、設(shè)計(jì)、制造與工業(yè)化試驗(yàn)與應(yīng)用，研究試驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果表明：完全可以將摩擦帶傳動(dòng)與嚙合帶傳動(dòng)融合在一起，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種模式的傳動(dòng)復(fù)合。 該帶帶底側(cè)設(shè)計(jì)特種齒是嚙合傳動(dòng)，側(cè)面為切邊窄V 帶摩擦傳動(dòng)。 這種復(fù)合傳動(dòng)其優(yōu)點(diǎn)為傳動(dòng)比準(zhǔn)確、不打滑，傳遞功率大，有著廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。

實(shí)現(xiàn)復(fù)合傳動(dòng)， 在消除打滑丟轉(zhuǎn)的同時(shí)， 可實(shí)現(xiàn)同步大功率傳動(dòng)。為此， 我們開(kāi)展了技術(shù)創(chuàng)新與試驗(yàn)研究。其基本設(shè)計(jì)思想為：原聯(lián)組窄V 帶及帶輪整體外廓尺寸及外形保持不變， 將聯(lián)組窄V 沿長(zhǎng)度方向設(shè)計(jì)成同步齒形帶結(jié)構(gòu)， 相應(yīng)帶輪輪槽底部也設(shè)計(jì)成輪齒結(jié)構(gòu)，以便實(shí)現(xiàn)嚙合傳動(dòng)； 聯(lián)組窄V 帶兩側(cè)面與帶輪溝槽仍保持原摩擦傳動(dòng)。 這種復(fù)合傳動(dòng)，即能依靠嚙合傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確傳動(dòng)比、消除打滑丟轉(zhuǎn)，又可通過(guò)摩擦及嚙合同時(shí)傳遞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)大功率傳動(dòng)。

嚙合傳動(dòng)方面，同步齒形設(shè)計(jì)是關(guān)鍵因素，圓弧齒相對(duì)梯形齒在嚙人嚙出時(shí)順滑性好，承載能力高，無(wú)應(yīng)力集中，選擇圓弧齒較為理想，為方便觀察分析齒形嚙合及干涉情況，筆者設(shè)計(jì)了多種圓弧齒形方案，包括單圓弧、雙圓弧等，在進(jìn)行油田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前，采用線切割制造了多種齒形輪盤模型，利用原15J 聯(lián)組窄V 帶加工出齒槽，制造了相應(yīng)多種同步齒形窄V 帶模型，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行反復(fù)嚙合觀察分析，以確定實(shí)際使用齒形。

抽油機(jī)聯(lián)組同步齒形窄V 帶傳動(dòng)技術(shù)參數(shù)與材料構(gòu)成， 如表1所示。

表1 聯(lián)組同步齒形窄V 帶傳動(dòng)技術(shù)參數(shù)與材料結(jié)構(gòu)

抽油機(jī)聯(lián)組同步齒形窄V 帶及帶輪結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。 原聯(lián)組窄V 帶為包布V 帶，該V 帶存在摩擦系數(shù)低、包布易破損、散熱差、更換頻繁等問(wèn)題，新研制的抽油機(jī)聯(lián)組同步齒形窄V 帶采用切邊V 帶，切邊V 帶其兩側(cè)工作面為切割面、無(wú)包布，與帶輪間的摩擦系數(shù)增大，帶的彎曲性能和散熱性能優(yōu)于包布帶。 皮帶采用氯丁橡膠， 膠體內(nèi)增加與運(yùn)動(dòng)方向垂直的定向短纖維，以提高膠帶橫向剛性，橫向剛性的提高可以讓窄V 帶受載后徑向變形小， 強(qiáng)力層內(nèi)沿帶寬排列的線繩束受力均勻，強(qiáng)力層線繩采用聚酯纖維或芳綸，以便減小拉伸變形，帶成型硫化冷卻脫模后進(jìn)行切割磨削。

圖1 聯(lián)組齒形窄V 帶傳動(dòng)

2 傳動(dòng)機(jī)理

由于同步齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)為非共軛齒廓嚙合，因此會(huì)存在齒形干涉。 理論上可按照共軛曲面原理將帶及帶輪設(shè)計(jì)成一對(duì)共軛齒廓，但膠帶繞入帶輪時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲變形與折邊形效應(yīng)，實(shí)際嚙合時(shí)難以實(shí)現(xiàn)真正共軛傳動(dòng)；如果共軛齒廓的一方選擇易于實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單齒形，另一方將是較難實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜曲線。 實(shí)際上，齒形的微量干涉可以由帶齒彈性變形吸收，并不影響傳動(dòng)性能，因此該聯(lián)組同步齒形窄V 帶按非共軛齒廓設(shè)計(jì)。

理論上，帶節(jié)線與輪節(jié)園是對(duì)滾關(guān)系，帶與帶輪節(jié)距相等。帶繞人帶輪后，將發(fā)生彎曲變形，節(jié)線以外部分拉長(zhǎng)，節(jié)線以內(nèi)部分壓縮，那么呈直線狀態(tài)的一個(gè)帶節(jié)距，在逐漸嚙人輪齒過(guò)程中漸變?yōu)榻苹【€狀態(tài)( 由于多邊形效應(yīng))，由于直線節(jié)距與近似弧線節(jié)距的弦長(zhǎng)不相等，而所選齒形又是非共軛齒廓，因此齒形干涉就會(huì)出現(xiàn)。 顯然，節(jié)距越小或帶輪直徑越大， 直線與其相應(yīng)長(zhǎng)度弧線的弦長(zhǎng)差別就越小，干涉越輕微。節(jié)距越小，帶齒及輪齒厚度就相應(yīng)越小，齒根彎曲強(qiáng)度就越低。 結(jié)論：在保證一定齒根彎曲強(qiáng)度前提下，節(jié)距盡量取較小值，以便達(dá)到較好的傳遞摩擦力及嚙合力，經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算，抽油機(jī)聯(lián)組同步齒形窄V 帶節(jié)距取為10.62mm。

因存在膠帶內(nèi)側(cè)齒槽，同步齒形窄V 帶的撓曲性能提高，膠帶外側(cè)彎曲應(yīng)力大幅下降，這使得膠帶的散熱性和疲勞強(qiáng)度大幅提高，延長(zhǎng)其使用壽命。

3 結(jié)論

聯(lián)組同步齒形窄V 帶傳動(dòng)是摩擦與嚙合兩種傳動(dòng)方式的優(yōu)勢(shì)復(fù)合，這種復(fù)合式帶傳動(dòng)具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳遞功率大、傳動(dòng)效率高、撓曲及散熱性好、膠帶壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可推廣應(yīng)用于各行業(yè)的帶傳動(dòng)系統(tǒng)中，特別是在石油工業(yè)中的游梁式抽油機(jī)帶傳動(dòng)中。

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