轉彎皮帶機皮帶導引形式研究

上海交通大學機械與動力工程學院 / 王同旭 馬賢祥 王海麗

轉彎皮帶機皮帶導引形式研究

上海交通大學機械與動力工程學院 / 王同旭 馬賢祥 王海麗

本文在分析當前常用轉彎皮帶機導引形式優缺點的基礎上，結合市場需求，研發設計了一種新型導引形式的轉彎皮帶機。文章主要介紹了新型轉彎皮帶機導引形式的結構和工作原理；對轉彎皮帶機進行了受力分析；確定了結構尺寸，對結構進行有限元分析；通過試驗樣機測試，說明所設計的新型導引形式是可以有效使用的。

轉彎皮帶機、導引形式、固定導輪、物流

隨著全球競爭環境和客戶個性化需求的變化，先進高效的物流系統越來越成為企業增強自身競爭力的核心要素?？爝f和電商行業的迅猛發展，對倉儲揀選系統的技術水平提出了更高的要求。轉彎皮帶機作為輸送分揀系統中不可缺少的一部分，同樣面臨著速度、噪音、穩定等問題的挑戰。本文在充分分析當前常用轉彎皮帶機導引形式優缺點的基礎上，結合市場需求，研發設計了一種新型導引形式的轉彎皮帶機。

一、研究背景

轉彎皮帶機是一種在輸送分揀系統中廣泛應用的設備，連接著輸送方向不同的輸送線，貨物通過輸送機傳輸到轉彎皮帶機上，轉彎皮帶機再將貨物傳輸到另一輸送線上，改變輸送方向，實現輸送物品的輸送與轉向，可充分利用空間寬度，布置多排連續輸送線，如圖1所示。

轉彎皮帶機的皮帶導引形式主要有移動導輪形式、鏈條導引形式。

移動導輪形式的轉彎皮帶機，皮帶外圈打圓孔，每個圓孔內安裝移動導輪，如圖2的a所示，移動導輪嵌在轉彎機的圓弧導軌內，如圖2的b所示。移動導輪形式的轉彎機承載能力相對較低（≤60kg），運行速度相對較低（≤60m/min），噪音較大，移動導輪磨損嚴重，安裝維修較為困難?，F在很少采用這種形式的轉彎皮帶機。

圖1 轉彎皮帶機使用示意圖

圖2 移動導輪形式轉彎皮帶機示意圖

鏈條導引形式轉彎皮帶機，皮帶外圈打圓孔，圓孔上鉚裝鋼扣，環形鏈條的連接扣通過鉚釘和墊片與皮帶連接，如圖3的a所示，環形鏈條嵌在轉彎機的圓弧導軌內，如圖3的b所示。鏈條導引形式的轉彎機承載能力較強（≤100kg），運行速度一般（≤90m/min），但其噪音大，安裝維修較為困難。

圖3 鏈條形式轉彎皮帶機示意圖

上述兩種形式的轉彎皮帶機，由于自身的缺點，無法滿足現代物流行業（尤其是快速發展的電商行業）高速、低噪、重載、裝卸維修方便等多方面的要求。因此，本文研發設計了一種新型轉彎皮帶機導引形式，即固定導輪導引形式。其具有輸送速度快、承載能力相對較高、運行平穩、噪音低等優勢，能夠很好地滿足現代物流的發展需求。

二、固定導輪導引形式原理

固定導輪形式轉彎機的機架外圈上下分別均勻安裝一排導輪組，如圖4的a所示。皮帶外圈粘附一圈PU包邊導條，皮帶包邊嵌在上下導輪組的兩個導輪之間，如圖4 的b所示，導輪組起到牽引并導向皮帶運轉作用，同時防止皮帶向內側偏移。導向裝置由軸承滾輪、導輪架、導輪支座組成，軸承滾輪固定在導輪架上，導輪架嵌在導輪支座內，可以輕松調節導輪架在導輪支座上的相對位置（壓緊和松開），可快速實現轉彎皮帶的安裝和拆卸，如圖4中的c所示。導輪與皮帶之間為滾動摩擦，設備運轉平穩，振動、噪音小。

前述的移動導輪形式和鏈條導引形式的轉彎皮帶機，其導引裝置均隨著皮帶一同運行，且導引裝置均需嵌在圓弧導軌中運行，有摩擦、磨損，所以其運行速度受限，運行噪音較大。本文研究的固定導輪導引形式，首先考慮將導向裝置均勻布置固定在機架外圈。再設計新型導向裝置，既能固定在機架外圈上，又能夠牽引和導向皮帶運行。然后設計一種圓形PU導條包邊，粘附在皮帶外圈，PU導條包邊嵌在導向裝置的上下導輪之間，解決了設備運行時皮帶的牽引和導向問題。同時，在皮帶和包邊粘結處，縫線加強粘結強度。最后，為了避免皮帶包邊從導向裝置中逃脫，又能方便皮帶拆卸和安裝，完善了導向裝置結構，導向裝置上設置松開位置和壓緊位置，實現皮帶的拆卸和壓緊安裝。

圖4 轉彎皮帶機導向裝置布局示意圖

三、皮帶受力分析

設備運行時，轉彎皮帶的受力與普通直皮帶的受力不同，轉彎皮帶除了受到與運行方向平行的摩擦力、皮帶張力，還受到與運行方向垂直的摩擦力、皮帶運轉的離心力，以及導向裝置的拉力。在運行過程中，轉彎皮帶受力不均，會出現向內/向外交替偏移趨勢，受到的拉力也隨之交替變化。轉彎皮帶的受力分析主要包括空載運行和負載運行受力分析。

1.空載運行受力分析

轉彎皮帶機空載運行時，皮帶受力情況如下，參見圖5：

圖5 空載運行皮帶受力分析示意圖

（5）導向裝置拉力：導向裝置拉緊皮帶外包邊，防止皮帶向內偏移。

a.當皮帶有向外偏移趨勢時，導向裝置拉力最大。

對于90°轉彎皮帶機，外圈均勻布置了n_1導向裝置，則每個導向裝置受到的最大拉力：

b.當皮帶有向內移趨勢時，導向裝置拉力最小。

2.負載運行受力分析

同理，額定負載運行，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、導向裝置拉力F拉2。相對空載，除了皮帶自身重量產生離心力和摩擦力，還應包括物品的重量M2產生離心力和摩擦力。另外，由于物品的長度L，在物品對應處的皮帶包邊受到的拉力值最大?？扇∠渥訉纳刃蚊嫫нM行分析（物品對應的扇形角為A2），對應的導向裝置數量為n2，參見圖6。

（2）皮帶張力F張2：皮帶的張力與空載時相同。

（3）摩擦力F12：皮帶有向外/內滑動趨勢，皮帶與托板間摩擦力。

（4）摩擦力F22：皮帶有向外/內滑動趨勢，皮帶與輥筒之間的摩擦力。

a.當皮帶有向外偏移趨勢時，導向裝置拉力最大。

導向裝置拉力Fmax2：導向裝置拉緊皮帶外包邊，防止皮帶向內偏移。

圖6 負載運行皮帶受力分析示意圖

b.當皮帶有向內移趨勢時，導向裝置拉力最小。

3.相關技術參數

根據轉彎皮帶機的使用要求，結合市場需求，以及公司同類產品的規格參數，初步確定了轉彎皮帶機的相關技術參數，參見圖7。同時，與皮帶供應商共同探討，選擇了一款PVC皮帶（皮帶的1%定伸受力a=12N/mm）。為了保證轉彎皮帶外圈受力盡量小且均勻，設計導向裝置間隔3°均勻布置在外圈機架上。

Ri：轉彎皮帶內圈半徑Ri=900mm；Ro：轉彎皮帶外圈半徑Ro=1717mm；

Rc：轉彎皮帶中心半徑Rc=1308.5mm；A：轉彎皮帶即角度，A=90°；

V：轉彎皮帶機運行速度，V=90m/min；M物：額定負載，M物=50kg；

L：輸送物品長度，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 轉彎皮帶機外形示意圖

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

將上述的相關參數值，分別帶入上述公式，計算可得：

空 載 時：Fmax1^'=727.68N；Fmin1'=241.86N；

負 載 時：Fmax2^'=785.59N；Fmin2'=263.03N；

4.導向裝置有限元分析

在對皮帶進行受力分析計算的基礎上，得到每個導向裝置在空載和負載運行情況的最大拉力Fmax1^'和Fmax2^'，再對導向裝置進行有限元分析。

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

圖8 導向裝置受力分析示意圖

在進行有限元分析時，可假定導向輪徑向力F

徑1

、F

徑2

平均施加在導向輪的外圓周面上。

圖8 導向裝置受力分析示意圖

（1）在空載運行情況下，以導向裝置受到的最大拉力Fmax1^'=727.68N為計算基礎進行有限元分析，其應力與形變情況如圖9所示。

圖9 空載運行導向裝置應力與變形分析

（2）在負載運行情況下，以導向裝置受到的最大拉力Fmax2^'=785.59N為計算基礎進行有限元分析，其應力與形變情況如圖10所示。

圖10 負載運行導向裝置應力與變形分析

通過對導向裝置在空載和額定負載運行的情況下進行有限元分析，導輪支座、導輪架的應力和變形相對較小，可判定該結構符合設計和使用要求。

四、樣機測試

在完成受力、結構設計以及有限元分析之后，制作樣機，然后進行功能測試和穩定性測試，包括運行速度、承重能力以及運行噪音測試。通過測試之后，對測試數據進行分析可得：承重能力≤80kg；運行速度≤120m/min，滿足設計和使用要求。轉彎皮帶機樣機測試見圖11。

圖11 轉彎皮帶機樣機測試

五、結論

采用新型導引形式的轉彎皮帶機，其導向裝置固定在外圈的導輪支撐板上，導向輪不與轉彎皮帶一同運轉，導向裝置與轉彎皮帶之間為滾動摩擦。采用新型導引形式的轉彎皮帶機運轉平穩，振動小、噪音小。采用新型導向裝置，可以輕松地調節導輪架在導輪支座中的相對位置，方便快速實現軸承滾輪壓緊或松開，極大地提高了裝卸與維修效率。采用該導引形式的轉彎皮帶機的技術水平大大領先于國內同類產品，并達到國際先進水平。