一种新型复合式带传动的创新设计与应用

程金林 张德珍 张德伟

（1.临沂大学机械工程学院机械设计制造及其自动化，山东 临沂276000；2.临沂大学机械工程学院，山东 临沂276000；3.临沂大学信息学院， 山东 临沂276000 ）

0 引言

带传动是机械传动重要的传动形式之一，随着工业技术水平的不断提高以及对机械设备轻量化、个性化、功能化和精密化的要求，带传动不断向高速度、高效率、大功率、高可靠性、高精度、长寿命、低噪音、低振动和紧凑化发展，其传动形式愈来愈多，应用范围愈来愈广。作为带传动中的主体部件—传动带也由原来的易损件向功能件方向转变，在许多场合替代了其他传动形式，其品种规格也想多样性发展。

在我国， 普通V 带是主要的传动带产品， 占V 带产量的80%以上。 窄V 带，是美国盖茨公司在20 世纪50 年代开发的一种全新系列高马力V 带品种，由于结构紧凑、传动功率大、强力层线绳受力均匀等，很快取代普通V 带作为V 带的主要产品，在我国石油行业得到广泛应用。 联组窄V 带，就是将几条相同的窄V 带由联结层将其顶面联为一体而形成的V 带组，联组窄V 具有良好的整体性，各条窄V 带受力伸长较均匀，使用寿命长，尺寸稳定，承载能力高，已广泛应用于各种机械设备的动力传递，特别是在油田抽油机传动系统中得到了广泛应用。

普通V 带和联组窄V 带传动都是摩擦传动， 这种纯摩擦传动必然存在弹性滑动及打滑现象。 当出现过载或雨雪天气时，带传动打滑丢转现象会更严重，有可能造成皮带过早失效甚至出现烧带被迫停机的情况。 需要经常更换皮带，这严重影响了机器的正常生产与机械效率。 此外，使用V 带和联组窄V 带还需要经常进行现场维护，确保有足够的张紧力以减少打滑和丢转，但如果张紧力过大，会增大传动轴的载荷，影响轴承及电机的寿命，也会降低传动带的寿命。因此能否对带传动设计进行突破性的创新研究，寻求一种既能进行大功率传递又能解决打滑丢转问题的传动方案， 是一向意义重大而又艰巨的任务，也是非常必要的。

1 联组同步齿形窄V 带传动的创新设计

针对抽油机带传动大小带轮直径差别大，小轮包角太小，小轮打滑严重，胶带发热、采油效益低下及包布式V 带摩擦系数低，易破损，散热差、频繁更换等问题，研发了同步齿形联组窄V 复合传动，替代原抽油机皮带。 进行了前期深入探讨、设计、制造与工业化试验与应用，研究试验应用结果表明：完全可以将摩擦带传动与啮合带传动融合在一起，同时实现两种模式的传动复合。 该带带底侧设计特种齿是啮合传动，侧面为切边窄V 带摩擦传动。 这种复合传动其优点为传动比准确、不打滑，传递功率大，有着广阔的应用市场。

实现复合传动， 在消除打滑丢转的同时， 可实现同步大功率传动。为此， 我们开展了技术创新与试验研究。其基本设计思想为：原联组窄V 带及带轮整体外廓尺寸及外形保持不变， 将联组窄V 沿长度方向设计成同步齿形带结构， 相应带轮轮槽底部也设计成轮齿结构，以便实现啮合传动； 联组窄V 带两侧面与带轮沟槽仍保持原摩擦传动。 这种复合传动，即能依靠啮合传动实现准确传动比、消除打滑丢转，又可通过摩擦及啮合同时传递动力，实现大功率传动。

啮合传动方面，同步齿形设计是关键因素，圆弧齿相对梯形齿在啮人啮出时顺滑性好，承载能力高，无应力集中，选择圆弧齿较为理想，为方便观察分析齿形啮合及干涉情况，笔者设计了多种圆弧齿形方案，包括单圆弧、双圆弧等，在进行油田现场试验前，采用线切割制造了多种齿形轮盘模型，利用原15J 联组窄V 带加工出齿槽，制造了相应多种同步齿形窄V 带模型，在实验室内进行反复啮合观察分析，以确定实际使用齿形。

抽油机联组同步齿形窄V 带传动技术参数与材料构成， 如表1所示。

表1 联组同步齿形窄V 带传动技术参数与材料结构

抽油机联组同步齿形窄V 带及带轮结构，如图1 所示。 原联组窄V 带为包布V 带，该V 带存在摩擦系数低、包布易破损、散热差、更换频繁等问题，新研制的抽油机联组同步齿形窄V 带采用切边V 带，切边V 带其两侧工作面为切割面、无包布，与带轮间的摩擦系数增大，带的弯曲性能和散热性能优于包布带。 皮带采用氯丁橡胶， 胶体内增加与运动方向垂直的定向短纤维，以提高胶带横向刚性，横向刚性的提高可以让窄V 带受载后径向变形小， 强力层内沿带宽排列的线绳束受力均匀，强力层线绳采用聚酯纤维或芳纶，以便减小拉伸变形，带成型硫化冷却脱模后进行切割磨削。

图1 联组齿形窄V 带传动

2 传动机理

由于同步齿形带传动设计为非共轭齿廓啮合，因此会存在齿形干涉。 理论上可按照共轭曲面原理将带及带轮设计成一对共轭齿廓，但胶带绕入带轮时会发生弯曲变形与折边形效应，实际啮合时难以实现真正共轭传动；如果共轭齿廓的一方选择易于实现的简单齿形，另一方将是较难实现的复杂曲线。 实际上，齿形的微量干涉可以由带齿弹性变形吸收，并不影响传动性能，因此该联组同步齿形窄V 带按非共轭齿廓设计。

理论上，带节线与轮节园是对滚关系，带与带轮节距相等。带绕人带轮后，将发生弯曲变形，节线以外部分拉长，节线以内部分压缩，那么呈直线状态的一个带节距，在逐渐啮人轮齿过程中渐变为近似弧线状态( 由于多边形效应)，由于直线节距与近似弧线节距的弦长不相等，而所选齿形又是非共轭齿廓，因此齿形干涉就会出现。 显然，节距越小或带轮直径越大， 直线与其相应长度弧线的弦长差别就越小，干涉越轻微。节距越小，带齿及轮齿厚度就相应越小，齿根弯曲强度就越低。 结论：在保证一定齿根弯曲强度前提下，节距尽量取较小值，以便达到较好的传递摩擦力及啮合力，经过优化计算，抽油机联组同步齿形窄V 带节距取为10.62mm。

因存在胶带内侧齿槽，同步齿形窄V 带的挠曲性能提高，胶带外侧弯曲应力大幅下降，这使得胶带的散热性和疲劳强度大幅提高，延长其使用寿命。

3 结论

联组同步齿形窄V 带传动是摩擦与啮合两种传动方式的优势复合，这种复合式带传动具有传动比准确、传递功率大、传动效率高、挠曲及散热性好、胶带寿命长等优点，可推广应用于各行业的带传动系统中，特别是在石油工业中的游梁式抽油机带传动中。

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