一種新型復合式帶傳動的創新設計與應用

程金林 張德珍 張德偉

（1.臨沂大學機械工程學院機械設計制造及其自動化，山東 臨沂276000；2.臨沂大學機械工程學院，山東 臨沂276000；3.臨沂大學信息學院， 山東 臨沂276000 ）

0 引言

帶傳動是機械傳動重要的傳動形式之一，隨著工業技術水平的不斷提高以及對機械設備輕量化、個性化、功能化和精密化的要求，帶傳動不斷向高速度、高效率、大功率、高可靠性、高精度、長壽命、低噪音、低振動和緊湊化發展，其傳動形式愈來愈多，應用范圍愈來愈廣。作為帶傳動中的主體部件—傳動帶也由原來的易損件向功能件方向轉變，在許多場合替代了其他傳動形式，其品種規格也想多樣性發展。

在我國， 普通V 帶是主要的傳動帶產品， 占V 帶產量的80%以上。 窄V 帶，是美國蓋茨公司在20 世紀50 年代開發的一種全新系列高馬力V 帶品種，由于結構緊湊、傳動功率大、強力層線繩受力均勻等，很快取代普通V 帶作為V 帶的主要產品，在我國石油行業得到廣泛應用。 聯組窄V 帶，就是將幾條相同的窄V 帶由聯結層將其頂面聯為一體而形成的V 帶組，聯組窄V 具有良好的整體性，各條窄V 帶受力伸長較均勻，使用壽命長，尺寸穩定，承載能力高，已廣泛應用于各種機械設備的動力傳遞，特別是在油田抽油機傳動系統中得到了廣泛應用。

普通V 帶和聯組窄V 帶傳動都是摩擦傳動， 這種純摩擦傳動必然存在彈性滑動及打滑現象。 當出現過載或雨雪天氣時，帶傳動打滑丟轉現象會更嚴重，有可能造成皮帶過早失效甚至出現燒帶被迫停機的情況。 需要經常更換皮帶，這嚴重影響了機器的正常生產與機械效率。 此外，使用V 帶和聯組窄V 帶還需要經常進行現場維護，確保有足夠的張緊力以減少打滑和丟轉，但如果張緊力過大，會增大傳動軸的載荷，影響軸承及電機的壽命，也會降低傳動帶的壽命。因此能否對帶傳動設計進行突破性的創新研究，尋求一種既能進行大功率傳遞又能解決打滑丟轉問題的傳動方案， 是一向意義重大而又艱巨的任務，也是非常必要的。

1 聯組同步齒形窄V 帶傳動的創新設計

針對抽油機帶傳動大小帶輪直徑差別大，小輪包角太小，小輪打滑嚴重，膠帶發熱、采油效益低下及包布式V 帶摩擦系數低，易破損，散熱差、頻繁更換等問題，研發了同步齒形聯組窄V 復合傳動，替代原抽油機皮帶。 進行了前期深入探討、設計、制造與工業化試驗與應用，研究試驗應用結果表明：完全可以將摩擦帶傳動與嚙合帶傳動融合在一起，同時實現兩種模式的傳動復合。 該帶帶底側設計特種齒是嚙合傳動，側面為切邊窄V 帶摩擦傳動。 這種復合傳動其優點為傳動比準確、不打滑，傳遞功率大，有著廣闊的應用市場。

實現復合傳動， 在消除打滑丟轉的同時， 可實現同步大功率傳動。為此， 我們開展了技術創新與試驗研究。其基本設計思想為：原聯組窄V 帶及帶輪整體外廓尺寸及外形保持不變， 將聯組窄V 沿長度方向設計成同步齒形帶結構， 相應帶輪輪槽底部也設計成輪齒結構，以便實現嚙合傳動； 聯組窄V 帶兩側面與帶輪溝槽仍保持原摩擦傳動。 這種復合傳動，即能依靠嚙合傳動實現準確傳動比、消除打滑丟轉，又可通過摩擦及嚙合同時傳遞動力，實現大功率傳動。

嚙合傳動方面，同步齒形設計是關鍵因素，圓弧齒相對梯形齒在嚙人嚙出時順滑性好，承載能力高，無應力集中，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，筆者設計了多種圓弧齒形方案，包括單圓弧、雙圓弧等，在進行油田現場試驗前，采用線切割制造了多種齒形輪盤模型，利用原15J 聯組窄V 帶加工出齒槽，制造了相應多種同步齒形窄V 帶模型，在實驗室內進行反復嚙合觀察分析，以確定實際使用齒形。

抽油機聯組同步齒形窄V 帶傳動技術參數與材料構成， 如表1所示。

表1 聯組同步齒形窄V 帶傳動技術參數與材料結構

抽油機聯組同步齒形窄V 帶及帶輪結構，如圖1 所示。 原聯組窄V 帶為包布V 帶，該V 帶存在摩擦系數低、包布易破損、散熱差、更換頻繁等問題，新研制的抽油機聯組同步齒形窄V 帶采用切邊V 帶，切邊V 帶其兩側工作面為切割面、無包布，與帶輪間的摩擦系數增大，帶的彎曲性能和散熱性能優于包布帶。 皮帶采用氯丁橡膠， 膠體內增加與運動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， 強力層內沿帶寬排列的線繩束受力均勻，強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行切割磨削。

圖1 聯組齒形窄V 帶傳動

2 傳動機理

由于同步齒形帶傳動設計為非共軛齒廓嚙合，因此會存在齒形干涉。 理論上可按照共軛曲面原理將帶及帶輪設計成一對共軛齒廓，但膠帶繞入帶輪時會發生彎曲變形與折邊形效應，實際嚙合時難以實現真正共軛傳動；如果共軛齒廓的一方選擇易于實現的簡單齒形，另一方將是較難實現的復雜曲線。 實際上，齒形的微量干涉可以由帶齒彈性變形吸收，并不影響傳動性能，因此該聯組同步齒形窄V 帶按非共軛齒廓設計。

理論上，帶節線與輪節園是對滾關系，帶與帶輪節距相等。帶繞人帶輪后，將發生彎曲變形，節線以外部分拉長，節線以內部分壓縮，那么呈直線狀態的一個帶節距，在逐漸嚙人輪齒過程中漸變為近似弧線狀態( 由于多邊形效應)，由于直線節距與近似弧線節距的弦長不相等，而所選齒形又是非共軛齒廓，因此齒形干涉就會出現。 顯然，節距越小或帶輪直徑越大， 直線與其相應長度弧線的弦長差別就越小，干涉越輕微。節距越小，帶齒及輪齒厚度就相應越小，齒根彎曲強度就越低。 結論：在保證一定齒根彎曲強度前提下，節距盡量取較小值，以便達到較好的傳遞摩擦力及嚙合力，經過優化計算，抽油機聯組同步齒形窄V 帶節距取為10.62mm。

因存在膠帶內側齒槽，同步齒形窄V 帶的撓曲性能提高，膠帶外側彎曲應力大幅下降，這使得膠帶的散熱性和疲勞強度大幅提高，延長其使用壽命。

3 結論

聯組同步齒形窄V 帶傳動是摩擦與嚙合兩種傳動方式的優勢復合，這種復合式帶傳動具有傳動比準確、傳遞功率大、傳動效率高、撓曲及散熱性好、膠帶壽命長等優點，可推廣應用于各行業的帶傳動系統中，特別是在石油工業中的游梁式抽油機帶傳動中。

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