上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 / 王同旭 馬賢祥 王海麗

轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)皮帶導(dǎo)引形式研究

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 / 王同旭 馬賢祥 王海麗

本文在分析當(dāng)前常用轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)導(dǎo)引形式優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合市場(chǎng)需求，研發(fā)設(shè)計(jì)了一種新型導(dǎo)引形式的轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)。文章主要介紹了新型轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)導(dǎo)引形式的結(jié)構(gòu)和工作原理；對(duì)轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)進(jìn)行了受力分析；確定了結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析；通過(guò)試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的新型導(dǎo)引形式是可以有效使用的。

轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)、導(dǎo)引形式、固定導(dǎo)輪、物流

隨著全球競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境和客戶(hù)個(gè)性化需求的變化，先進(jìn)高效的物流系統(tǒng)越來(lái)越成為企業(yè)增強(qiáng)自身競(jìng)爭(zhēng)力的核心要素。快遞和電商行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)揀選系統(tǒng)的技術(shù)水平提出了更高的要求。轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)作為輸送分揀系統(tǒng)中不可缺少的一部分，同樣面臨著速度、噪音、穩(wěn)定等問(wèn)題的挑戰(zhàn)。本文在充分分析當(dāng)前常用轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)導(dǎo)引形式優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合市場(chǎng)需求，研發(fā)設(shè)計(jì)了一種新型導(dǎo)引形式的轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)。

一、研究背景

轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)是一種在輸送分揀系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的設(shè)備，連接著輸送方向不同的輸送線(xiàn)，貨物通過(guò)輸送機(jī)傳輸?shù)睫D(zhuǎn)彎皮帶機(jī)上，轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)再將貨物傳輸?shù)搅硪惠斔途€(xiàn)上，改變輸送方向，實(shí)現(xiàn)輸送物品的輸送與轉(zhuǎn)向，可充分利用空間寬度，布置多排連續(xù)輸送線(xiàn)，如圖1所示。

轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)的皮帶導(dǎo)引形式主要有移動(dòng)導(dǎo)輪形式、鏈條導(dǎo)引形式。

移動(dòng)導(dǎo)輪形式的轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)，皮帶外圈打圓孔，每個(gè)圓孔內(nèi)安裝移動(dòng)導(dǎo)輪，如圖2的a所示，移動(dòng)導(dǎo)輪嵌在轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)的圓弧導(dǎo)軌內(nèi)，如圖2的b所示。移動(dòng)導(dǎo)輪形式的轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)承載能力相對(duì)較低（≤60kg），運(yùn)行速度相對(duì)較低（≤60m/min），噪音較大，移動(dòng)導(dǎo)輪磨損嚴(yán)重，安裝維修較為困難。現(xiàn)在很少采用這種形式的轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)。

圖1 轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)使用示意圖

圖2 移動(dòng)導(dǎo)輪形式轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)示意圖

鏈條導(dǎo)引形式轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)，皮帶外圈打圓孔，圓孔上鉚裝鋼扣，環(huán)形鏈條的連接扣通過(guò)鉚釘和墊片與皮帶連接，如圖3的a所示，環(huán)形鏈條嵌在轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)的圓弧導(dǎo)軌內(nèi)，如圖3的b所示。鏈條導(dǎo)引形式的轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)承載能力較強(qiáng)（≤100kg），運(yùn)行速度一般（≤90m/min），但其噪音大，安裝維修較為困難。

圖3 鏈條形式轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)示意圖

上述兩種形式的轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)，由于自身的缺點(diǎn)，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代物流行業(yè)（尤其是快速發(fā)展的電商行業(yè)）高速、低噪、重載、裝卸維修方便等多方面的要求。因此，本文研發(fā)設(shè)計(jì)了一種新型轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)導(dǎo)引形式，即固定導(dǎo)輪導(dǎo)引形式。其具有輸送速度快、承載能力相對(duì)較高、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低等優(yōu)勢(shì)，能夠很好地滿(mǎn)足現(xiàn)代物流的發(fā)展需求。

二、固定導(dǎo)輪導(dǎo)引形式原理

固定導(dǎo)輪形式轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)的機(jī)架外圈上下分別均勻安裝一排導(dǎo)輪組，如圖4的a所示。皮帶外圈粘附一圈PU包邊導(dǎo)條，皮帶包邊嵌在上下導(dǎo)輪組的兩個(gè)導(dǎo)輪之間，如圖4 的b所示，導(dǎo)輪組起到牽引并導(dǎo)向皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)作用，同時(shí)防止皮帶向內(nèi)側(cè)偏移。導(dǎo)向裝置由軸承滾輪、導(dǎo)輪架、導(dǎo)輪支座組成，軸承滾輪固定在導(dǎo)輪架上，導(dǎo)輪架嵌在導(dǎo)輪支座內(nèi)，可以輕松調(diào)節(jié)導(dǎo)輪架在導(dǎo)輪支座上的相對(duì)位置（壓緊和松開(kāi)），可快速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎皮帶的安裝和拆卸，如圖4中的c所示。導(dǎo)輪與皮帶之間為滾動(dòng)摩擦，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)、噪音小。

前述的移動(dòng)導(dǎo)輪形式和鏈條導(dǎo)引形式的轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)，其導(dǎo)引裝置均隨著皮帶一同運(yùn)行，且導(dǎo)引裝置均需嵌在圓弧導(dǎo)軌中運(yùn)行，有摩擦、磨損，所以其運(yùn)行速度受限，運(yùn)行噪音較大。本文研究的固定導(dǎo)輪導(dǎo)引形式，首先考慮將導(dǎo)向裝置均勻布置固定在機(jī)架外圈。再設(shè)計(jì)新型導(dǎo)向裝置，既能固定在機(jī)架外圈上，又能夠牽引和導(dǎo)向皮帶運(yùn)行。然后設(shè)計(jì)一種圓形PU導(dǎo)條包邊，粘附在皮帶外圈，PU導(dǎo)條包邊嵌在導(dǎo)向裝置的上下導(dǎo)輪之間，解決了設(shè)備運(yùn)行時(shí)皮帶的牽引和導(dǎo)向問(wèn)題。同時(shí)，在皮帶和包邊粘結(jié)處，縫線(xiàn)加強(qiáng)粘結(jié)強(qiáng)度。最后，為了避免皮帶包邊從導(dǎo)向裝置中逃脫，又能方便皮帶拆卸和安裝，完善了導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向裝置上設(shè)置松開(kāi)位置和壓緊位置，實(shí)現(xiàn)皮帶的拆卸和壓緊安裝。

圖4 轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)導(dǎo)向裝置布局示意圖

三、皮帶受力分析

設(shè)備運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)彎皮帶的受力與普通直皮帶的受力不同，轉(zhuǎn)彎皮帶除了受到與運(yùn)行方向平行的摩擦力、皮帶張力，還受到與運(yùn)行方向垂直的摩擦力、皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)的離心力，以及導(dǎo)向裝置的拉力。在運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)彎皮帶受力不均，會(huì)出現(xiàn)向內(nèi)/向外交替偏移趨勢(shì)，受到的拉力也隨之交替變化。轉(zhuǎn)彎皮帶的受力分析主要包括空載運(yùn)行和負(fù)載運(yùn)行受力分析。

1.空載運(yùn)行受力分析

轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，皮帶受力情況如下，參見(jiàn)圖5：

圖5 空載運(yùn)行皮帶受力分析示意圖

（5）導(dǎo)向裝置拉力：導(dǎo)向裝置拉緊皮帶外包邊，防止皮帶向內(nèi)偏移。

a.當(dāng)皮帶有向外偏移趨勢(shì)時(shí)，導(dǎo)向裝置拉力最大。

對(duì)于90°轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)，外圈均勻布置了n_1導(dǎo)向裝置，則每個(gè)導(dǎo)向裝置受到的最大拉力：

b.當(dāng)皮帶有向內(nèi)移趨勢(shì)時(shí)，導(dǎo)向裝置拉力最小。

2.負(fù)載運(yùn)行受力分析

同理，額定負(fù)載運(yùn)行，皮帶外包邊受到離心力F離2、皮帶張力F張2、摩擦力F12、摩擦力F22、導(dǎo)向裝置拉力F拉2。相對(duì)空載，除了皮帶自身重量產(chǎn)生離心力和摩擦力，還應(yīng)包括物品的重量M2產(chǎn)生離心力和摩擦力。另外，由于物品的長(zhǎng)度L，在物品對(duì)應(yīng)處的皮帶包邊受到的拉力值最大?？扇∠渥訉?duì)應(yīng)的扇形面皮帶進(jìn)行分析（物品對(duì)應(yīng)的扇形角為A2），對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向裝置數(shù)量為n2，參見(jiàn)圖6。

（2）皮帶張力F張2：皮帶的張力與空載時(shí)相同。

（3）摩擦力F12：皮帶有向外/內(nèi)滑動(dòng)趨勢(shì)，皮帶與托板間摩擦力。

（4）摩擦力F22：皮帶有向外/內(nèi)滑動(dòng)趨勢(shì)，皮帶與輥筒之間的摩擦力。

a.當(dāng)皮帶有向外偏移趨勢(shì)時(shí)，導(dǎo)向裝置拉力最大。

導(dǎo)向裝置拉力Fmax2：導(dǎo)向裝置拉緊皮帶外包邊，防止皮帶向內(nèi)偏移。

圖6 負(fù)載運(yùn)行皮帶受力分析示意圖

b.當(dāng)皮帶有向內(nèi)移趨勢(shì)時(shí)，導(dǎo)向裝置拉力最小。

3.相關(guān)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)的使用要求，結(jié)合市場(chǎng)需求，以及公司同類(lèi)產(chǎn)品的規(guī)格參數(shù)，初步確定了轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，參見(jiàn)圖7。同時(shí)，與皮帶供應(yīng)商共同探討，選擇了一款PVC皮帶（皮帶的1%定伸受力a=12N/mm）。為了保證轉(zhuǎn)彎皮帶外圈受力盡量小且均勻，設(shè)計(jì)導(dǎo)向裝置間隔3°均勻布置在外圈機(jī)架上。

Ri：轉(zhuǎn)彎皮帶內(nèi)圈半徑Ri=900mm；Ro：轉(zhuǎn)彎皮帶外圈半徑Ro=1717mm；

Rc：轉(zhuǎn)彎皮帶中心半徑Rc=1308.5mm；A：轉(zhuǎn)彎皮帶即角度，A=90°；

V：轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)運(yùn)行速度，V=90m/min；M物：額定負(fù)載，M物=50kg；

L：輸送物品長(zhǎng)度，L=600mm； S1：上表層皮帶的面積；

m1：每平米的皮帶重量，m1=2.3kg/m2；M1：上表層皮帶的重量；

圖7 轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)外形示意圖

μ1：皮帶與托板間摩擦系數(shù)μ1=0.3；μ2：皮帶與輥筒間摩擦系數(shù)μ2=0.5；

將上述的相關(guān)參數(shù)值，分別帶入上述公式，計(jì)算可得：

空 載 時(shí)：Fmax1^'=727.68N；Fmin1'=241.86N；

負(fù) 載 時(shí)：Fmax2^'=785.59N；Fmin2'=263.03N；

4.導(dǎo)向裝置有限元分析

在對(duì)皮帶進(jìn)行受力分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，得到每個(gè)導(dǎo)向裝置在空載和負(fù)載運(yùn)行情況的最大拉力Fmax1^'和Fmax2^'，再對(duì)導(dǎo)向裝置進(jìn)行有限元分析。

包邊嵌在導(dǎo)向裝置內(nèi)，導(dǎo)向裝置上下導(dǎo)輪夾角為120°，其受到的水平拉力F拉，可分解成對(duì)導(dǎo)向輪的徑向力F徑1、F徑2。如圖8所示。

圖8 導(dǎo)向裝置受力分析示意圖

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，可假定導(dǎo)向輪徑向力F

徑1

、F

徑2

平均施加在導(dǎo)向輪的外圓周面上。

圖8 導(dǎo)向裝置受力分析示意圖

（1）在空載運(yùn)行情況下，以導(dǎo)向裝置受到的最大拉力Fmax1^'=727.68N為計(jì)算基礎(chǔ)進(jìn)行有限元分析，其應(yīng)力與形變情況如圖9所示。

圖9 空載運(yùn)行導(dǎo)向裝置應(yīng)力與變形分析

（2）在負(fù)載運(yùn)行情況下，以導(dǎo)向裝置受到的最大拉力Fmax2^'=785.59N為計(jì)算基礎(chǔ)進(jìn)行有限元分析，其應(yīng)力與形變情況如圖10所示。

圖10 負(fù)載運(yùn)行導(dǎo)向裝置應(yīng)力與變形分析

通過(guò)對(duì)導(dǎo)向裝置在空載和額定負(fù)載運(yùn)行的情況下進(jìn)行有限元分析，導(dǎo)輪支座、導(dǎo)輪架的應(yīng)力和變形相對(duì)較小，可判定該結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)和使用要求。

四、樣機(jī)測(cè)試

在完成受力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及有限元分析之后，制作樣機(jī)，然后進(jìn)行功能測(cè)試和穩(wěn)定性測(cè)試，包括運(yùn)行速度、承重能力以及運(yùn)行噪音測(cè)試。通過(guò)測(cè)試之后，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得：承重能力≤80kg；運(yùn)行速度≤120m/min，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求。轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)樣機(jī)測(cè)試見(jiàn)圖11。

圖11 轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)樣機(jī)測(cè)試

五、結(jié)論

采用新型導(dǎo)引形式的轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)，其導(dǎo)向裝置固定在外圈的導(dǎo)輪支撐板上，導(dǎo)向輪不與轉(zhuǎn)彎皮帶一同運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)向裝置與轉(zhuǎn)彎皮帶之間為滾動(dòng)摩擦。采用新型導(dǎo)引形式的轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)小、噪音小。采用新型導(dǎo)向裝置，可以輕松地調(diào)節(jié)導(dǎo)輪架在導(dǎo)輪支座中的相對(duì)位置，方便快速實(shí)現(xiàn)軸承滾輪壓緊或松開(kāi)，極大地提高了裝卸與維修效率。采用該導(dǎo)引形式的轉(zhuǎn)彎皮帶機(jī)的技術(shù)水平大大領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品，并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。