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同步带的失效模式

2021年04月12日

同步带的失效模式有很多原因,而有时皮带的失效模式还很难去判定。该产品应用备忘录的目的就是为了定义、举例说明并判定通常同步带的失效模式,以便我们采取适当的预防措施和纠正行动。


皮带的正常磨损和失效

在皮带运转 2 到 3 年后,当其芯线达到疲劳寿命时,皮带失效是属于正常情况。在经过长期运转

后,皮带由于芯线达到疲劳寿命而失效,这属于理想的皮带失效模式。图 1  是一个参差不齐的

45 度角的锯齿状断裂皮带,这是典型的皮带芯线达到正常的疲劳寿命造成的。

同步带的齿部也同样会失效,但是这不属于理想的皮带失效模式。在长期的运转下,虽然皮带能够保持初始的大小和形状,但是皮带齿部会出现磨损。皮带帆布的外露纤维会使皮带齿部看起来粗糙毛燥,如图 2 所示。

运行 2 到 3 年后的皮带不需要再采取任何改善措施。皮带寿命会由于应用的不同,以及各种客观因素而有较大变化。影响皮带寿命的因素包括传输功率等级,环境,皮带安装张力,带与轮的匹配,带轮的质量水平,甚至是如何切割、包装、运输和安装皮带。

皮带折曲失效

皮带折曲失效模式通常表现为断裂面芯线成直线排列。如图 3 所示。

当皮带芯线弯曲到非常小的直径时,这种失效模式就会发生。急剧的弯曲会使皮带芯线纤维在巨大的压力下弯曲和受损,从而使皮带的拉伸强度下降。皮带折曲失效是常见的一种失效模式, 通常与皮带操作不当、安装张紧力过低、带轮的直径过小和带轮里有异物等有关。

由于操作不当所引起的皮带折曲原因有:存放不当、包装不当和皮带安装前和安装时的操作不当。皮带在过低张紧力的情况下运行可能会一直跳齿直到达到可接受的张紧力,这种现象叫做自动张紧。

自动张紧在皮带的松边或皮带齿部进入从动轮轮槽的地方可清晰地观察到。当皮带自动张紧的时候,皮带齿部会跳出带轮轮槽直到皮带紧边加强的张力迫使皮带齿部再进入到带轮轮槽中。皮带在被迫回到带轮轮槽时,常常导致皮带与带轮接触点发生剧烈、瞬时的弯曲,这种弯曲会导致皮带芯线受损。这部分芯线损伤就被称为折曲。如果紧边张力不能使皮带齿部进入带轮轮槽,则皮带会产生跳齿,也同样会产生折曲失效或皮带齿部损伤。

皮带进入直径过小的带轮时,也会导致皮带芯线受损或折曲失效。带轮和背部惰轮低于规定的值、皮带和带轮间有惰轮甚至用手以较小的锐角弯曲皮带,都会导致皮带折曲失效。

传动系统有异物进入也同样会使皮带产生折曲,他们会使皮带与带轮间形成个尖角,使这一点的皮带芯线出现折曲。用工具把皮带强行撬到带轮上也同样会使皮带损坏。在受到异物进入或安装时使用工具不当(如螺丝刀)对皮带损伤后,皮带不会立即失效,但是皮带总体寿命会下降。


冲击负荷

当从动设备要求的间隙性或周期性扭矩负载大于正常水平时,这种冲击负荷要超过皮带本身能承受的力,传动系统中的冲击负荷就出现了。往往会加剧皮带的失效。普通的三角带可以用瞬间打滑来减缓冲击负荷,但是同步带必须要传输所有的负荷。

剧烈的冲击负荷可以导致皮带芯线以粗糙的不平均的形式断裂,如图 4 所示。皮带齿部在带轮中经过即时冲击负荷后可发展成齿根开裂和/或齿部脱落。如果冲击负荷只发生一次,或在皮带固定的位置重复循环,皮带的其余齿部可能看起来还是正常的。图5说明了齿根开裂如何在齿内进行扩散。在齿根形成的裂缝有时会扩散到齿尖。积聚过多裂缝时齿部就会剪切,就会只剩下齿的一部分。

从动设备产生的冲击负荷可能是传动系统操作中固有的一部分,或者可能是来自于偶然的,苛刻的情形,比如堵塞。如果传动系统的冲击负荷不可避免,皮带的芯线强度就需要提高,或者用可以间歇打滑的三角带来代替同步带驱动。


皮带安装张力过高

同步带安装张力过高会导致皮带齿部剪切或断裂。很多张力过高的皮带在皮带齿面上都清晰地留下了轮齿磨损的痕迹。图 6 是皮带被压过的表面区域和齿根开裂的例子。齿根开裂通常会通过芯线扩展到其相邻的开裂处,个别的皮带齿部会慢慢脱落。图 7 是张紧力过高的皮带在大带轮上被磨过的痕迹。过高的皮带表层压力会导致皮带大面积区域磨损,导致皮带芯线暴露在外。为了防止这样的磨损问题,适当的皮带安装张力值必须要准确的设定。


皮带安装张力过低

中度到高度负荷的传动系统中安装张力过低也会导致皮带过早的失效。通常张力过低导致的皮带失效模式表现为跳齿。皮带跳齿是指皮带的齿爬出其对应的轮槽,并且其根部不再承受负荷。传动负荷进一步作用于皮带侧面使皮带齿部弯曲,然后跳动。齿部滚动时可导致橡胶从齿根沿着芯线撕裂。随着橡胶撕裂的扩散,皮带齿部开始以条状脱离皮带,如图 8 所示。由于过多跳齿导致的失效可能看起来好像橡胶与线绳的粘度不够。然而,由于粘度不足所导致的失效,皮带中外露芯线通常保持整洁,与滚齿失效模式不同。

当皮带齿部爬出带轮轮槽而自动张紧时,在橡胶撕裂和齿部脱落前,皮带容易产生跳齿。跳齿引起的皮带芯线损伤往往导致皮带强度提前失效,损伤情况与折曲失效的芯线断裂情况类似(整齐断裂)也同样类似于冲击负荷的断裂(成锯齿状并有角度的)。如果皮带没有跳齿并且在自张紧时也在继续运转,这中情况下经常发生皮带齿部过度磨损。这种齿部磨损叫做勾形磨损,是由于皮带齿部与带轮不匹配,如图 9 所示。勾形磨损是由于皮带的安装张力不够和不牢固的传动系统在低张力的情况下中心距变化所导致的。

通常提高皮带安装张力可以防止皮带过早产生跳齿和勾形磨损。如果提高安装张力后还是不能防止皮带失效,可能是传动系统结构不够牢固,不能防止偏差。为了提高皮带使用性能,非常有必要提高传动结构的支撑力。如果提高安装张力不现实,增加带轮直径,可以使皮带在低张力下传递较高负载。合适的安装张力值可以从盖茨的设计软件中获得,通过设计手册进行计算或者寻求盖茨销售人员的支持。


带轮不平行

皮带在运行时,带轮轴成一定角度,或带轮齿形在加工时存在锥度问题,由于施加在皮带上的负载不均匀,带齿之间会出现不均匀的挤压。皮带失效经常从齿根开裂处或从承载张力过大的皮带侧面开始撕裂并扩展到整个皮带宽度,导致皮带齿部剪切。由于纤拉力比较大,皮带挤压严重的一侧可能也会出现明显的磨损,并且皮带有可能爬出或滚到带轮挡边之处。图 10 显示了高纤拉力导致了皮带一边严重的磨损。

皮带运行在不平行有挡边的带轮时,如果皮带被挤压在两个相对的挡边中,会导致皮带两侧严重磨损。在这种情况下,皮带会从齿根裂缝或从两侧撕裂。这种撕裂会扩展到整个皮带,导致皮带齿部剪切。

皮带运行在一个带轮两边都有挡边和一个带轮两边都没有挡边时,如果两个带轮不平行,那么皮带会部分向没有挡边的带轮移动,无挡边带轮中这部分皮带将会承受全部负载并且可能在运行一段时间后产生一个集中磨损区域。图 11 就是大部分齿面的集中磨损,其它地方没有磨损。在磨损区域下面可能会有根部裂缝。皮带强度或齿面疲劳都会导致皮带的过早失效。

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