同步帶的失效模式

 

 

        在皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)2 到3 年后，當(dāng)其芯線達(dá)到疲勞壽命時，皮帶失效是屬于正常情況。在經(jīng)過長期運(yùn)轉(zhuǎn)后，皮帶由于芯線達(dá)到疲勞壽命而失效，這屬于理想的皮帶失效模式。圖1 是一個參差不齊的45 度角的鋸齒狀斷裂皮帶，這是典型的皮帶芯線達(dá)到正常的疲勞壽命造成的。

        同步帶的齒部也同樣會失效，但是這不屬于理想的皮帶失效模式。在長期的運(yùn)轉(zhuǎn)下，雖然皮帶能夠保持初始的大小和形狀，但是皮帶齒部會出現(xiàn)磨損。皮帶帆布的外露纖維會使皮帶齒部看起來粗糙毛燥，如圖2 所示。

        運(yùn)行2 到3 年后的皮帶不需要再采取任何改善措施。皮帶壽命會由于應(yīng)用的不同，以及各種客觀因素而有較大變化。影響皮帶壽命的因素包括傳輸功率等級，環(huán)境，皮帶安裝張力，帶與輪的匹配，帶輪的質(zhì)量水平，甚至是如何切割、包裝、運(yùn)輸和安裝皮帶。

 

圖1   正常拉斷                                                   圖2   帆布磨損

 

 

 

        皮帶折曲失效模式通常表現(xiàn)為斷裂面芯線成直線排列。如圖3 所示。

        當(dāng)皮帶芯線彎曲到非常小的直徑時，這種失效模式就會發(fā)生。急劇的彎曲會使皮帶芯線纖維在巨大的壓力下彎曲和受損，從而使皮帶的拉伸強(qiáng)度下降。皮帶折曲失效是zui常見的一種失效模式，通常與皮帶操作不當(dāng)、安裝張緊力過低、帶輪的直徑過小和帶輪里有異物等有關(guān)。

 

 

        由于操作不當(dāng)所引起的皮帶折曲原因有：存放不當(dāng)、包裝不當(dāng)和皮帶安裝前和安裝時的操作不當(dāng)。皮帶在過低張緊力的情況下運(yùn)行可能會一直跳齒直到達(dá)到可接受的張緊力，這種現(xiàn)象叫做自動張緊。

        自動張緊在皮帶的松邊或皮帶齒部進(jìn)入從動輪輪槽的地方可zui清晰地觀察到。當(dāng)皮帶自動張緊的時候，皮帶齒部會跳出帶輪輪槽直到皮帶緊邊加強(qiáng)的張力迫使皮帶齒部再進(jìn)入到帶輪輪槽中。皮帶在被迫回到帶輪輪槽時，常常導(dǎo)致皮帶與帶輪接觸點(diǎn)發(fā)生劇烈、瞬時的彎曲，這種彎曲會導(dǎo)致皮帶芯線受損。這部分芯線損傷就被稱為折曲。如果緊邊張力不能使皮帶齒部進(jìn)入帶輪輪槽， 則皮帶會產(chǎn)生跳齒，也同樣會產(chǎn)生折曲失效或皮帶齒部損傷。

        皮帶進(jìn)入直徑過小的帶輪時，也會導(dǎo)致皮帶芯線受損或折曲失效。帶輪和背部惰輪低于規(guī)定的zui小值、皮帶和帶輪間有惰輪甚至用手以較小的銳角彎曲皮帶，都會導(dǎo)致皮帶折曲失效。

        傳動系統(tǒng)有異物進(jìn)入也同樣會使皮帶產(chǎn)生折曲，他們會使皮帶與帶輪間形成個尖角，使這一點(diǎn)的皮帶芯線出現(xiàn)折曲。用工具把皮帶強(qiáng)行撬到帶輪上也同樣會使皮帶損壞。在受到異物進(jìn)入或安裝時使用工具不當(dāng)（如螺絲刀）對皮帶損傷后，皮帶不會立即失效，但是皮帶總體壽命會下降。

 

 

        當(dāng)從動設(shè)備要求的間隙性或周期性扭矩負(fù)載大于正常水平時，這種沖擊負(fù)荷要超過皮帶本身能承受的力，傳動系統(tǒng)中的沖擊負(fù)荷就出現(xiàn)了。往往會加劇皮帶的失效。普通的三角帶可以用瞬間打滑來減緩沖擊負(fù)荷，但是同步帶必須要傳輸所有的負(fù)荷。

        劇烈的沖擊負(fù)荷可以導(dǎo)致皮帶芯線以粗糙的不平均的形式斷裂，如圖4 所示。皮帶齒部在帶輪中經(jīng)過即時沖擊負(fù)荷后可發(fā)展成齒根開裂和/或齒部脫落。如果沖擊負(fù)荷只發(fā)生一次，或在皮帶固定的位置重復(fù)循環(huán)，皮帶的其余齒部可能看起來還是正常的。圖5 說明了齒根開裂如何在齒內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散。在齒根形成的裂縫有時會擴(kuò)散到齒尖。積聚過多裂縫時齒部就會剪切，就會只剩下齒的一部分。

 

 

        從動設(shè)備產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷可能是傳動系統(tǒng)操作中固有的一部分，或者可能是來自于偶然的，苛刻的情形，比如堵塞。如果傳動系統(tǒng)的沖擊負(fù)荷不可避免，皮帶的芯線強(qiáng)度就需要提高，或者用可以間歇打滑的三角帶來代替同步帶驅(qū)動。

 

 

        同步帶安裝張力過高會導(dǎo)致皮帶齒部剪切或斷裂。很多張力過高的皮帶在皮帶齒面上都清晰地留下了輪齒磨損的痕跡。圖6 是皮帶被壓過的表面區(qū)域和齒根開裂的例子。齒根開裂通常會通過芯線擴(kuò)展到其相鄰的開裂處，個別的皮帶齒部會慢慢脫落。圖7 是張緊力過高的皮帶在大帶輪上被磨過的痕跡。過高的皮帶表層壓力會導(dǎo)致皮帶大面積區(qū)域磨損，zui終導(dǎo)致皮帶芯線暴露在外。為了防止這樣的磨損問題，適當(dāng)?shù)钠О惭b張力值必須要準(zhǔn)確的設(shè)定。

 

 

 

        中度到高度負(fù)荷的傳動系統(tǒng)中安裝張力過低也會導(dǎo)致皮帶過早的失效。通常張力過低導(dǎo)致的皮帶失效模式表現(xiàn)為跳齒。皮帶跳齒是指皮帶的齒爬出其對應(yīng)的輪槽，并且其根部不再承受負(fù)荷。傳動負(fù)荷進(jìn)一步作用于皮帶側(cè)面使皮帶齒部彎曲，然后跳動。齒部滾動時可導(dǎo)致橡膠從齒根沿著芯線撕裂。隨著橡膠撕裂的擴(kuò)散，皮帶齒部開始以條狀脫離皮帶，如圖8 所示。由于過多跳齒導(dǎo)致的失效可能看起來好像橡膠與線繩的粘度不夠。然而，由于粘度不足所導(dǎo)致的失效，皮帶中外露芯線通常保持整潔，與滾齒失效模式不同。

        當(dāng)皮帶齒部爬出帶輪輪槽而自動張緊時， 在橡膠撕裂和齒部脫落前，皮帶容易產(chǎn)生跳齒。跳齒引起的皮帶芯線損傷往往導(dǎo)致皮帶強(qiáng)度提前失效，損傷情況與折曲失效的芯線斷裂情況類似（整齊斷裂）也同樣類似于沖擊負(fù)荷的斷裂（成鋸齒狀并有角度的）。如果皮帶沒有跳齒并且在自張緊時也在繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，這中情況下經(jīng)常發(fā)生皮帶齒部過度磨損。這種齒部磨損叫做勾形磨損，是由于皮帶齒部與帶輪不匹配，如圖9 所示。勾形磨損是由于皮帶的安裝張力不夠和不牢固的傳動系統(tǒng)在低張力的情況下中心距變化所導(dǎo)致的。

 

圖8   張緊力過低                                               圖9   張緊力過低

 

 

        通常提高皮帶安裝張力可以防止皮帶過早產(chǎn)生跳齒和勾形磨損。如果提高安裝張力后還是不能防止皮帶失效，可能是傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不夠牢固，不能防止偏差。為了提高皮帶使用性能，非常有必要提高傳動結(jié)構(gòu)的支撐力。如果提高安裝張力不現(xiàn)實(shí)，增加帶輪直徑， 可以使皮帶在低張力下傳遞較高負(fù)載。合適的安裝張力值可以從蓋茨的設(shè)計軟件中獲得，通過設(shè)計手冊進(jìn)行計算或者尋求蓋茨銷售人員的支持。

 

 

        皮帶在運(yùn)行時，帶輪軸成一定角度， 或帶輪齒形在加工時存在錐度問題，由于施加在皮帶上的負(fù)載不均勻，帶齒之間會出現(xiàn)不均勻的擠壓。皮帶失效經(jīng)常從齒根開裂處或從承載張力zui大的皮帶側(cè)面開始撕裂并擴(kuò)展到整個皮帶寬度， zui終導(dǎo)致皮帶齒部剪切。由于纖拉力比較大，皮帶擠壓嚴(yán)重的一側(cè)可能也會出現(xiàn)明顯的磨損，并且皮帶有可能爬出或滾到帶輪擋邊之處。圖10 顯示了高纖拉力導(dǎo)致了皮帶一邊嚴(yán)重的磨損。

 

 

        皮帶運(yùn)行在不平行有擋邊的帶輪時，如果皮帶被擠壓在兩個相對的擋邊中，會導(dǎo)致皮帶兩側(cè)嚴(yán)重磨損。在這種情況下，皮帶會從齒根裂縫或從兩側(cè)撕裂。這種撕裂zui終會擴(kuò)展到整個皮帶，導(dǎo)致皮帶齒部剪切。

        皮帶運(yùn)行在一個帶輪兩邊都有擋邊和一個帶輪兩邊都沒有擋邊時，如果兩個帶輪不平行，那么皮帶會部分向沒有擋邊的帶輪移動，無擋邊帶輪中這部分皮帶將會承受全部負(fù)載并且可能在運(yùn)行一段時間后產(chǎn)生一個集中磨損區(qū)域。圖11 就是大部分齒面的集中磨損，其它地方?jīng)]有磨損。在磨損區(qū)域下面可能會有根部裂縫。皮帶強(qiáng)度或齒面疲勞zui終都會導(dǎo)致皮帶的過早失效。

 

 

 

        無論是由于帶輪的生產(chǎn)不符合標(biāo)準(zhǔn)或磨損到超出標(biāo)準(zhǔn)造成的皮帶過早失效通常很難識別。部分是因為當(dāng)皮帶失效時，幾乎很少有人去仔細(xì)地檢查帶輪， 而通常都認(rèn)為是皮帶的自身問題。皮帶在尺寸有問題的帶輪上運(yùn)行時，其齒部側(cè)面會出現(xiàn)高度磨損，同時皮帶側(cè)面的帆布成模糊的絨毛狀或片狀。如圖12 所示。

 

 

        圓弧齒皮帶（HTD，GT2） 運(yùn)行在直徑過小的帶輪系統(tǒng)中，會使帶體大面積分裂和皮帶拉伸性斷裂，如圖13 所示。梯形齒（XL, L, H） 皮帶通常是齒根裂縫或帶齒剪切，然而皮帶拉伸性斷裂倒不常見。

 

 

        張緊力過高可能導(dǎo)致帶輪更多的磨損。運(yùn)行時間很長的皮帶的齒面或帆布有時已經(jīng)*磨損掉，這種情況就預(yù)示帶輪磨損也已經(jīng)產(chǎn)生。皮帶磨損后會使其芯線與帶輪接觸，從而造成帶輪的外周輪槽也磨損。帶輪的齒頂有凸起是帶輪磨損后的標(biāo)志，如圖14 所示。注意：磨過的表面非常尖銳用螺絲起子去感覺，以防手被劃傷。這種情況下，應(yīng)該更換帶輪。

        在腐蝕性空氣下，帶輪zui容易被迅速磨損。嚴(yán)重磨損的帶輪通常表現(xiàn)為輪槽磨損和帶輪加工外徑的減少。磨損帶輪導(dǎo)致皮帶失效典型的表現(xiàn)為皮帶齒底磨光性損傷和齒部區(qū)域性尺寸變形。經(jīng)過硬鍍鉻過的帶輪可以延長其在腐蝕性空氣中的壽命。另一種情況，如果替換后的新皮帶的壽命比以前的皮帶低，也要仔細(xì)檢查下帶輪是否過度磨損。

 

 

        皮帶運(yùn)行在徑向跳動的帶輪系統(tǒng)中時，帶輪旋轉(zhuǎn)時皮帶的張緊力會周期性的升降。跳動的越厲害，zui大張緊力就升的越高。受此影響，使齒底看起來像被碾碎一樣，如圖15。碾碎的帶體可能與在適度尺寸帶輪中而運(yùn)行的皮帶張緊力過高所導(dǎo)致的現(xiàn)象相類似。而周期性的張力變化常常導(dǎo)致皮帶齒部撕裂或皮帶拉伸性斷裂。

 

 

        帶輪往錐套上安裝，或在zui小的帶輪光孔基礎(chǔ)上進(jìn)行再擴(kuò)孔后安裝時，往往容易發(fā)生跳動。如何按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安裝，以及如何確保軸孔的配合，在蓋茨的相關(guān)設(shè)計手冊中有詳細(xì)的說明。

 

 

        皮帶運(yùn)行在腐蝕性空氣的應(yīng)用領(lǐng)域時，比如翻砂攪拌機(jī)，鐵礦石加工設(shè)備，磷酸鹽采礦輸送設(shè)備，帶齒側(cè)面和皮帶齒底高度會磨損，磨損區(qū)域常常光亮。圖16 為在高腐蝕性環(huán)境中的保力強(qiáng)GT2 的磨損皮帶。在腐蝕空氣下帶輪通常磨損加快， 所以帶輪與皮帶應(yīng)該一起更換。為了延長皮帶和帶輪的壽命，安裝個有潔凈空氣加壓的密封罩，防止腐蝕性的灰塵物體進(jìn)入而污染。

 

 

 

        當(dāng)橡膠皮帶工作在高溫（高于85℃）較長一段時間后，橡膠成分會變硬，由于運(yùn)轉(zhuǎn)時彎曲導(dǎo)致背部開裂。這些開裂處與齒的方向平行，并且常常發(fā)生在帶齒中間。如圖17。皮帶由于齒部剪切也會導(dǎo)致拉伸性斷裂。

        耐高溫橡膠皮帶結(jié)構(gòu)可用于這種要求高溫環(huán)境的應(yīng)用中，這些特殊的皮帶結(jié)構(gòu)提高了皮帶的使用壽命。

        如果要了解特殊耐高溫結(jié)構(gòu)皮帶在特殊的應(yīng)用下是否能夠提高皮帶性能，請與蓋茨的銷售人員。

 

 

        蓋茨保力強(qiáng)GT2 的皮帶，帶體材料屬于熱塑性聚氨酯材料（有熔點(diǎn)）。當(dāng)溫度超過85℃時，帶齒可能會變軟并且變形。此外，芯線也會*喪失對帶體的支撐能力。圖18 是暴露在高溫條件下的保力強(qiáng)GT2 的皮帶。

 

 

 

        橡膠皮帶在揮發(fā)性有機(jī)溶劑和臭氧的環(huán)境下的失效與在高溫環(huán)境下的失效情況類似。橡膠成分會變硬，皮帶會呈現(xiàn)背部開裂。但開裂的形式不太一致，因為橡膠結(jié)構(gòu)的硬化幾乎發(fā)生在皮帶表面，而這可能導(dǎo)致皮帶縱橫向的開裂，各種各樣的形狀都有可能產(chǎn)生。

 

 

 

        異物進(jìn)入帶輪和皮帶之間時，對帶齒和芯線都會造成損壞。芯線通常在內(nèi)部斷裂（圖19 所示） 或不久后由于過度彎曲而失效（圖20 所示）。部分皮帶芯線斷裂后，整根皮帶的拉伸強(qiáng)度就會大幅度下降。這也導(dǎo)致皮帶壽命顯著地下降。如果發(fā)現(xiàn)皮帶已損壞，應(yīng)該更換皮帶，并對帶輪進(jìn)行檢查，如果發(fā)現(xiàn)受損的帶輪，也應(yīng)該及時更換。