電機皮帶及帶輪磨損常見異常的失效分析方法

牛雷閃，宮興隆，喬云鵬

（格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519000）

1 現象描述

真空搬運機用于車間成品下線搬運，隨著電機皮帶輪的快速磨損，多楔形皮帶在與皮帶輪接觸摩擦時，容易造成摩擦劇烈、發熱嚴重，導致多楔形皮帶使用幾天就出現拉長、斷裂等異常，進而產生打滑造成真空度不夠吸不起產品，甚至出現皮帶突然斷裂造成摔機事故，皮帶備件消耗量明顯增加。

2 原因分析

2.1 基本原理

真空搬運機所使用的多楔帶帶輪，多楔帶輪為PJ 型系列，帶輪通過平鍵與軸連接并用螺釘鎖緊，通過楔槽多楔帶傳動動力。

2.2 失效機理分析

（1）帶輪輪槽結構分析

通過對比該真空皮帶機使用的帶輪和標準的同規格帶輪，肉眼觀察兩個帶輪的輪槽結構并用手觸摸，可以發現真空皮帶機的帶輪輪槽頂部比較銳利，同時，V 型槽的槽寬也比標準帶輪的寬。

進一步取樣分析對比，可以發現兩者的差別很大，而在多楔帶傳動如圖1 所示，主要依靠斜側面來傳遞動力。

圖1 皮帶與帶輪嚙合示意圖

多楔帶作為標準件，帶槽的結構尺寸是固定的，帶輪輪槽結構的變化會影響皮帶的傳動能力，出現打滑異響等問題，并影響皮帶的壽命。

圖2 標準帶輪樣件槽底

圖3 實際在用帶輪樣件槽底

通過標準帶輪和帶輪樣件的對比分析，可以發現兩者在結構尺寸上有比較大的差別。根據GB/T16588-1996 標準，帶輪槽底應為圓弧型，且半徑最大值為0.4mm，而現在在用的帶輪結構槽底截面為直線型，寬度大于1mm，且通過測量發現在用帶輪樣件也比標準帶輪的槽深深約0.5mm，與多楔帶的槽型不匹配。在皮帶的運行過程中，就不能很好地靠斜側面傳遞動力。他們之間的接觸面變小，帶輪尖端容易切割多楔帶的槽底加速皮帶磨損斷裂失效，同時，也會將帶輪的尖端磨損，容易會出現皮帶打滑現象或者皮帶的突然斷裂，造成吸不起產品甚至發生摔機事故。

結論：帶輪結構尺寸不符合規范是導致多楔帶異常磨損斷裂和帶輪磨損的重要原因。

（2）帶輪材料組織分析

金相組織分析：為了進一步分析帶輪的組織性能，對帶輪的材料進行了分析。查詢資料得知，鋁制皮帶輪的材料通常為6061 硬質鋁合金，故對皮帶輪和6061 硬質鋁合金材料分別進行取樣金相分析和硬度測試，從圖4、圖5 中可以看出，兩種材料的金相組織存在較大的區別。

圖4 失效帶輪金相組織

圖5 6061 硬質鋁合金金相組織

失效的帶輪組織呈條紋狀分布，組織粗大較為疏松有帶狀組織缺陷，材料組織較差。對比6061 硬質鋁合金，6061的組織結構細密，晶粒細小，分布均勻，具有較好的力學性能。

表1 不同材料的硬度測試結果

硬度對比分析：測試失效帶輪和6061 硬質鋁合金的硬度進行對比，通過5 次測試取平均值作為該樣件的硬度值，從表1 測試結果中可以看到失效帶輪樣件的硬度值約為302HLD（里氏硬度），而標準6061 材料的硬度約為500HLD，失效帶輪樣件的硬度明顯比6061 材料的硬度低，結合金相組織分析可知該帶輪所用的材料性能達不到行業生產鋁合金皮帶輪所用的6061 材料標準。

結論：失效帶輪的材料組織、硬度和行業上采用的6061材料差別較大，各項數據均低于6061，由此可見，失效帶輪的材料性能差也是導致帶輪磨損的原因。

（3）帶輪材料結構元素分析

下表中是帶輪材料里所含各種元素的標準值與實測值的對比及判定：

表2

結論：帶輪材料是經過篩選對其結構元素進行檢測分析發現，其中材料里所含硅、錳、鋅三種元素不合格致使材料整體不合格。

失效分析最終結論：皮帶輪的截面輪廓尺寸不符合皮帶輪的設計規范，加工出來的帶輪存在明顯的邊角，在高速運行中，標準多楔皮帶的楔面不能與多楔帶輪的楔面很好地貼合，導致多楔帶異常磨損，同時，皮帶輪的材料性能較差，在反復的不正常貼合運行中出現皮帶磨損的同時，也造成了皮帶輪異常磨損，最終導致帶輪磨損失效。

3 結語

通過對故障本源的深入剖析及測試，有助于對現場問題全面了解，制定更有效的改善措施，從根本上預防和消除設備使用存在的問題；結構分析及材料分析是設備機械類異常的重要分析方法，也更加科學有效，通過問題的過程分析也有助于提升基礎技術人員的技能水平，減少不必要的成本浪費。