一種非摩擦驅(qū)動(dòng)螺旋帶式輸送的作用原理和運(yùn)動(dòng)分析

金拯

（紹興高金冷凍空調(diào)設(shè)備有限公司，浙江 上虞312300）

螺旋帶式輸送是指輸送帶以螺旋狀的運(yùn)動(dòng)對(duì)所載的物品進(jìn)行輸送。輸送帶通常是由金屬或塑料制成的可以伸縮的網(wǎng)狀或板條狀的帶子，其帶面圍繞圓心作圓周的盤升或盤降運(yùn)動(dòng)。為使輸送平穩(wěn)運(yùn)行，輸送帶下面通常托有軌道。拖動(dòng)輸送帶或者是通過繞圓心（中心軸線）轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)筒驅(qū)動(dòng)輸送帶的側(cè)邊都可以使輸送帶在螺旋形的軌道上運(yùn)動(dòng)，其中，轉(zhuǎn)筒驅(qū)動(dòng)輸送帶又可分為摩擦驅(qū)動(dòng)和非摩擦驅(qū)動(dòng)二種方式。本文提出一種非摩擦驅(qū)動(dòng)的螺旋帶式輸送并進(jìn)行分析。

1 螺旋帶式輸送概述

螺旋帶式輸送常作為輸送過程中的一部分，在整個(gè)輸送過程中輸送帶一般還包含有直線運(yùn)動(dòng)的部分。圖1所示是一種轉(zhuǎn)筒驅(qū)動(dòng)輸送帶的機(jī)構(gòu)和流程示意圖，把輸送帶組成一個(gè)封閉的回路，以便可以周而復(fù)始地循環(huán)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)6使轉(zhuǎn)筒3轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)筒3帶動(dòng)輸送帶1在軌道2上作螺旋運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)所載物品的輸送。輸送帶層層盤繞在轉(zhuǎn)筒外，在轉(zhuǎn)筒的周圍空間中可以容納較多的物品并且在該空間中有序地通過，同時(shí)也方便對(duì)輸送物品進(jìn)行某種集中的加工或處理，所以，相對(duì)而言對(duì)于相同的加工處理能力，螺旋帶式輸送裝置往往可以獲得更小的體積和占地面積，這是普通的直線帶式輸送和加工處理所無法比擬的。因此，螺旋帶式輸送很適合于一些需要對(duì)物品進(jìn)行連續(xù)的加工處理而加工處理的時(shí)間可以通過運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的裝置，如速凍、冷卻、通風(fēng)、解凍、干燥、加熱、烘烤、蒸煮、熏制、噴淋、清潔、檢驗(yàn)、檢測(cè)、消毒或殺菌等的場(chǎng)合。

圖1 機(jī)構(gòu)和流程示意圖

2 摩擦驅(qū)動(dòng)的螺旋帶式輸送和螺旋速凍機(jī)概述

摩擦驅(qū)動(dòng)的螺旋帶式輸送的原理是輸送帶沿螺旋形軌道纏繞在轉(zhuǎn)筒上，使帶子外邊受拉，內(nèi)邊受壓，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)并借助摩擦帶動(dòng)帶子沿螺旋軌道上升[1~2]或下降。摩擦驅(qū)動(dòng)的螺旋帶式輸送常應(yīng)用于食品凍結(jié)裝置。螺旋速凍機(jī)（裝置）發(fā)展始于上世紀(jì)70年代初，目前仍然是一種先進(jìn)的帶式冷凍設(shè)備，根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外一些品牌的產(chǎn)品了解以及有關(guān)樣本和文獻(xiàn)的介紹，除了堆積式螺旋速凍裝置外，一般都采用摩擦驅(qū)動(dòng)的原理[1~5]，并配有一定的運(yùn)行保護(hù)裝置。

圖2是目前一種常見的摩擦驅(qū)動(dòng)的螺旋速凍裝置內(nèi)部的局部結(jié)構(gòu)，輸送帶是由不銹鋼絲制成的網(wǎng)狀的帶，網(wǎng)帶中橫串間隔排列的串軸，每根串軸的二端分別與網(wǎng)帶二側(cè)的鏈條（也稱馬蹄）焊接，并在鏈條的外側(cè)形成壓頭和焊點(diǎn)，焊點(diǎn)使壓頭和串軸一起焊接在鏈條的鏈板上形成一個(gè)直徑略大于串軸直徑的半球頭（參見圖5中的14），輸送帶二側(cè)的形狀一樣，該半球頭沿輸送帶面的方向上帶有焊點(diǎn)的形狀，半球頭和焊點(diǎn)的表面弧形至鏈板形成光滑的弧形表面。為了避免輸送帶在運(yùn)動(dòng)時(shí)其邊緣與轉(zhuǎn)筒產(chǎn)生摩擦刮傷，采用自動(dòng)化高周波成型，并對(duì)所有的焊接壓頭表面進(jìn)行打磨，以保持邊緣平整光滑，在轉(zhuǎn)筒的外表面上往往還覆蓋尼龍以改善與輸送帶邊緣之間的接觸和摩擦。

圖2螺旋速凍裝置局部結(jié)構(gòu)

圖3 是摩擦驅(qū)動(dòng)的螺旋帶式輸送作螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)的示意圖，轉(zhuǎn)筒3a外固定有間隔排列的豎直條8a，豎直條的表面覆蓋有尼龍。轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)輸送帶1a作圓周運(yùn)動(dòng)，速度是ν1；同時(shí)，輸送帶的高度隨著下面軌道高度的變化而變化，其速度是ν2，ν1和ν2合成為螺旋運(yùn)動(dòng)的速度ν。問題是轉(zhuǎn)筒的帶動(dòng)是使輸送帶作圓周運(yùn)動(dòng)，即ν1，而不是螺旋運(yùn)動(dòng)ν，由于輸送帶1a纏繞在轉(zhuǎn)筒上使其包括串軸的端部18a在內(nèi)的側(cè)邊緊迫在轉(zhuǎn)筒的外表面即豎直條8a上，所以輸送帶的垂直方向上的運(yùn)動(dòng)ν2受到其側(cè)邊和豎直條8a之間的摩擦力的阻礙；另一個(gè)問題是輸送帶是以狹窄的側(cè)邊緊迫在轉(zhuǎn)筒豎直條的壁面上，產(chǎn)生正壓力，由此在纏繞著的輸送帶的內(nèi)部存在應(yīng)力，如果輸送帶的側(cè)邊被壁面抵住不能夠自由移動(dòng)則很容易形成支點(diǎn)，應(yīng)力極易產(chǎn)生力矩使輸送帶失穩(wěn)，引發(fā)翻帶的事故。

圖3 螺旋運(yùn)動(dòng)示意圖

因此，從原理上分析，摩擦驅(qū)動(dòng)的螺旋帶式輸送在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)有阻力，輸送帶的內(nèi)部存在應(yīng)力且容易失穩(wěn)。所以，裝置的設(shè)計(jì)在體積、轉(zhuǎn)速、輸送帶寬度、傾角和曲率半徑等參數(shù)的選擇上有一定的限制，其結(jié)構(gòu)和操作相應(yīng)也較為復(fù)雜，造價(jià)較高，制約了螺旋帶式輸送的應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]中認(rèn)為輸送帶和轉(zhuǎn)筒之間產(chǎn)生很大的摩擦，該摩擦使得應(yīng)力增加，并提出減少應(yīng)力的辦法，但是所提結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。

3 非摩擦驅(qū)動(dòng)螺旋帶式輸送概述

如圖4所示是局部機(jī)構(gòu)示意圖，輸送帶1放置在軌道2上，其內(nèi)側(cè)邊挨著轉(zhuǎn)筒3，內(nèi)側(cè)邊上有伸出的軸（以下簡(jiǎn)稱伸出軸）18，可伸入到轉(zhuǎn)筒3上的凹槽9中組成配合。伸出軸在凹槽的驅(qū)動(dòng)下隨轉(zhuǎn)筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)輸送帶運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又隨著輸送帶沿著軌道的升降在凹槽中滑動(dòng)。輸送帶可以是如圖4中所示的網(wǎng)狀的帶子，也可以是其它種類的帶子，在網(wǎng)狀的帶子中，可以把輸送帶中的串軸11的一端延長(zhǎng)來作為伸出軸。輸送帶無需緊迫在轉(zhuǎn)筒上依靠摩擦得到動(dòng)力，屬于是一種非摩擦驅(qū)動(dòng)的螺旋帶式輸送。

圖4 （局部）機(jī)構(gòu)原理圖

3.1 輸送帶的結(jié)構(gòu)特征

（1）輸送帶的內(nèi)側(cè)邊上間隔一定的距離上伸出一小段的軸18，即伸出軸，可以進(jìn)入轉(zhuǎn)筒上的凹槽9形成配合。在軸上還可以設(shè)有軸套19，有助于減少軸18在凹槽中運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦，如圖5所示。

（2）輸送帶的側(cè)邊如果帶有鏈條10和12，或可以采用如圖5的結(jié)構(gòu)形式。該鏈條由可以相互嵌套的鏈條組件15、16和17連接而成。鏈條組件15和17分別可以向鏈條組件16伸縮靠攏，設(shè)鏈條組件15、16和17具有相同的節(jié)距，當(dāng)被拉開的三個(gè)節(jié)距的鏈條組件經(jīng)過相互靠攏后，理論上接近于一個(gè)節(jié)距，即伸縮比趨向于3：1，由此，輸送帶在彎曲時(shí)可達(dá)到更小的曲率半徑，從而可使設(shè)備的占地面積更小。

圖5 一種輸送帶

3.2 轉(zhuǎn)筒的結(jié)構(gòu)特征

（1）如圖6所示是一種轉(zhuǎn)筒的主視圖，轉(zhuǎn)筒是一個(gè)筒狀物，在其外表面上設(shè)有沿圓周間隔布置的凹槽9。凹槽9可以是由相距較近的二個(gè)豎直條8組成。

（2）如圖6所示，在凹槽9的進(jìn)口處設(shè)有可使伸出軸18順利進(jìn)入的過渡區(qū)22，可稱為“擒軸區(qū)”。該擒軸區(qū)的凹槽的一邊或二邊可以是傾斜的（如圖6中的23）或弧形狀的。凹槽可分為擒軸區(qū)段（AB段）和狹長(zhǎng)段（BC段）。

圖6一種轉(zhuǎn)筒

3.3 作用原理和運(yùn)動(dòng)分析

圖7 是轉(zhuǎn)筒邊上的局部橫截面的示意圖，當(dāng)轉(zhuǎn)筒3轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由豎直條8組成的凹槽驅(qū)動(dòng)在其中的伸出軸18并帶動(dòng)輸送帶運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)中伸出軸18和凹槽通常會(huì)有2個(gè)接觸點(diǎn)，即接觸點(diǎn)41和接觸點(diǎn)42。凹槽通過接觸點(diǎn)41和42把伸出軸18“夾持”住并傳遞動(dòng)力。非摩擦驅(qū)動(dòng)螺旋帶式輸送的傳動(dòng)比較直接，輸送帶和凹槽（即轉(zhuǎn)筒）之間的能量損失也是比較少。轉(zhuǎn)筒驅(qū)動(dòng)的螺旋帶式輸送的動(dòng)力一般情況下是按照轉(zhuǎn)筒、輸送帶的內(nèi)側(cè)、輸送帶和外側(cè)的次序傳遞的。由于輸送帶上荷載、輸送帶和軌道之間的摩擦阻力等因素的影響，使輸送帶外側(cè)的運(yùn)動(dòng)滯后于內(nèi)側(cè)的運(yùn)動(dòng)，而輸送帶又滯后于轉(zhuǎn)筒，但是非摩擦驅(qū)動(dòng)螺旋帶式輸送可以使帶的各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)隨轉(zhuǎn)筒保持同步轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可以確保輸送帶可靠地運(yùn)行。

圖7 接觸點(diǎn)示意圖

在轉(zhuǎn)筒的進(jìn)口處輸送帶由直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)入螺旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由于在直線運(yùn)動(dòng)時(shí)輸送帶二側(cè)的速度是一致的，內(nèi)側(cè)上伸出軸之間的距離處于最大值，所以當(dāng)進(jìn)入螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，在軌道的引導(dǎo)和輸送帶的牽引下內(nèi)側(cè)上伸出軸的間距逐漸縮小而外側(cè)的串軸的間距不變，使輸送帶逐漸彎曲成圓弧形，直到輸送帶的曲率符合要求。伸出軸逐漸進(jìn)入凹槽的“擒軸區(qū)”，并且在“擒軸區(qū)”（如圖6中AB段）中受凹槽側(cè)邊的壓迫還可以不斷地被整形。然后，伸出軸進(jìn)入凹槽的狹長(zhǎng)段（如圖6中BC段）并受到凹槽的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)通過狹長(zhǎng)段后到達(dá)轉(zhuǎn)筒的出口處，伸出軸滑出凹槽，輸送帶的內(nèi)側(cè)被拉開，輸送帶離開轉(zhuǎn)筒，恢復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。伸出軸在離開轉(zhuǎn)筒前也可以先在凹槽中通過一個(gè)區(qū)域，使輸送帶的內(nèi)側(cè)慢慢地打開，這個(gè)區(qū)域可稱為“縱軸區(qū)”。凹槽驅(qū)動(dòng)伸出軸隨轉(zhuǎn)筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)伸出軸在凹槽中垂直移動(dòng)，從而使輸送帶沿著軌道作螺旋運(yùn)動(dòng)。

4 翻帶機(jī)理初探

通常在螺旋速凍機(jī)中所見的是以摩擦方式驅(qū)動(dòng)的螺旋帶式輸送。在繞轉(zhuǎn)筒的周向和沿轉(zhuǎn)筒的軸向，均在輸送帶和轉(zhuǎn)筒之間產(chǎn)生很大的摩擦并使得應(yīng)力增加[5]。帶的內(nèi)側(cè)很容易被束縛住成為支點(diǎn)，當(dāng)遇誘因激發(fā)時(shí)，在應(yīng)力的作用下，外側(cè)向內(nèi)側(cè)發(fā)生翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，常稱作螺旋速凍機(jī)的“翻帶”，帶速不均勻或運(yùn)行中局部的跳動(dòng)等都有可能成為誘因。實(shí)際運(yùn)行中的翻帶事故往往是難以預(yù)料的，后果也較為嚴(yán)重，輕則停產(chǎn)檢查，重則損毀裝置，目前多采用限位開關(guān)進(jìn)行報(bào)警并停機(jī)。

避免翻帶發(fā)生的關(guān)鍵是化解應(yīng)力和消除力矩，建議是否可以從三方面來考慮：

一是，減少應(yīng)力；

二是，改良結(jié)構(gòu)，改善支點(diǎn)和避免誘因的產(chǎn)生；

三是，產(chǎn)生反制翻帶的力矩。

以下試分析本文所述的一種非摩擦驅(qū)動(dòng)螺旋帶式輸送的受力情況，圖8是轉(zhuǎn)筒邊上的局部縱截面的示意圖。假設(shè)某處處于水平位置的輸送帶所受向上的合力為F，且在力F的作用下以帶的內(nèi)側(cè)D點(diǎn)為支點(diǎn)欲向上翻轉(zhuǎn)（翻帶），則力矩M=F×L，在接觸點(diǎn)E上同時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦力f以阻止翻帶，摩擦力矩是m=f×R，設(shè)法增加m的數(shù)值可以避免或壓制翻帶的發(fā)生，式中L和R分別是F和f的作用點(diǎn)到支點(diǎn)間的距離。

圖8 受力分析

翻帶現(xiàn)象是在輸送帶失穩(wěn)且支點(diǎn)對(duì)輸送帶有約束的情況下發(fā)生，圖中T是支點(diǎn)處的摩擦力，這時(shí)的力F與輸送帶中的應(yīng)力有很大的關(guān)系。力F是輸送帶所受內(nèi)在的應(yīng)力P、自身的重力和貨物的壓力等的合力在輸送帶法線上的分量，F(xiàn)與P正相關(guān)，且隨著輸送帶翻轉(zhuǎn)過程中與水平的夾角的增大而增大。關(guān)于翻帶，非摩擦驅(qū)動(dòng)的螺旋帶式的輸送具有以下的特點(diǎn)：

（1）輸送帶不是緊迫于轉(zhuǎn)筒，因此P和F很小，難以具有翻帶的動(dòng)力；

（2）有壓制翻帶的摩擦力矩產(chǎn)生；

（3）伸出軸在凹槽中可以滑動(dòng)，支點(diǎn)相對(duì)較難產(chǎn)生；

（4）轉(zhuǎn)筒和伸出軸的接觸是光滑和連續(xù)的，所以激發(fā)翻帶的誘因較少。

5 結(jié)束語

通過上述分析，我們得出以下結(jié)論：

（1）輸送帶上設(shè)伸出軸并被“夾持”能夠確保輸送帶上的各處隨轉(zhuǎn)筒同步轉(zhuǎn)動(dòng)；在轉(zhuǎn)筒上設(shè)“擒軸區(qū)”可保障伸出軸順利地被“夾持”。

（2）轉(zhuǎn)筒和輸送帶內(nèi)在的應(yīng)力較小，伸出軸在凹槽中可以滑動(dòng)，有一定的自由度，翻帶的可能性明顯小于摩擦驅(qū)動(dòng)的螺旋帶式輸送；轉(zhuǎn)筒和輸送帶之間的摩擦阻力小并且是非摩擦驅(qū)動(dòng)，所以螺旋運(yùn)動(dòng)可靠平穩(wěn)。

（3）可使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，操作難度降低，利于拓寬設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇范圍，便于螺旋帶式輸送應(yīng)用于更廣的領(lǐng)域。

（4）以“夾持”的方式傳遞動(dòng)力優(yōu)于摩擦驅(qū)動(dòng)，能量損失小，有利于節(jié)能。

[1]曲志強(qiáng).淺談螺旋帶式速凍裝置（一）[J].中國(guó)水產(chǎn)，1991（4）：38.

[2]曲志強(qiáng).淺談螺旋帶式速凍裝置（二）[J].中國(guó)水產(chǎn)，1991（5）：38.

[3]紀(jì)家笙，黃志斌，楊運(yùn)華，等.水產(chǎn)品工業(yè)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，1999.

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[5]弗里戈斯堪迪亞設(shè)備公司.輸送帶[P].中國(guó)專利：97193764.8，1999.