一种自张紧式伸缩皮带导板的设计计算

2019-09-05闫玉平代英男张康武马续创吕阳阳李菲

重型机械 2019年4期

闫玉平，代英男，张康武，马续创，吕阳阳，李菲

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西西安 710032；2.辽宁忠旺机械设备制造有限公司，辽宁辽阳 111000)

0 前言

在各类自动化连续生产线上，尤其是冶金行业的连续生产线上，各设备之间的紧密衔接是保证机组不停机穿带及连续运行必不可少的条件，经常使用伸缩皮带导板作为过渡装置。伸缩皮带导板是在普通皮带导板的基础上增加了伸缩机构，使得导板可以在长度方向实现伸缩。连续生产线用伸缩皮带导板有两部分组成，包括伸缩皮带和固定机架。当要求将各设备衔接起来以满足机组穿带等功能需要时，伸缩皮带导板伸出，填补空工位位置，反之伸缩皮带导板缩回。

皮带运行是靠摩擦力驱动的，要保证皮带正常稳定运行必须保证皮带与支撑辊之间具有足够的摩擦力，这就要求皮带必须具有一定的张紧力，使皮带始终紧贴支撑辊处于张紧状态，否则容易出现打滑、跑偏现象。为了保证皮带的传动能力，需定期检查张紧度，如发现不足，必须重新张紧。当皮带出现松弛情况时，需要重新调整张紧机构实现张紧度调节后，才能继续正常使用。

1 典型的皮带张紧方法

所有皮带在上机后正式使用前都要按计算数值或者经验范围张紧，以保证达到必要的张紧度。张紧度由皮带的伸长特性决定，例如西格林传输皮带的安装伸长率范围通常为0.3%～0.8%。张紧度过小，达不到皮带输送、传动所需要的额定动力，并且可能出现打滑、跑偏现象。张紧度过大，皮带所产生的有效拉力可能造成支撑辊的弯曲甚至损坏，同时对皮带的使用寿命也有影响。

伸长率为0.5%时典型的皮带张紧方法如图1所示。皮带缠绕在前后两个支撑辊上形成一个封闭的形状，皮带理论长度为1 000 mm。为了使皮带张紧并保持0.5%的伸长率，需要将右边的支撑辊向右移动一段距离，将皮带拉长到1 005 mm。这种张紧机构结构复杂，张紧度调整方法效率低、人工调节不便、效率低，而且人工调节不好控制张紧力大小，调节时机也不好把握。

图1 典型的皮带张紧方法

2 自张紧式伸缩皮带导板结构

为了解决皮带张紧中存在的问题，本文设计了一种自张紧式伸缩皮带导板，即导板在伸长过程中皮带可以自动产生张紧，免去了人工调节张紧的麻烦，大大提高了生产效率。

自张紧式伸缩皮带导板结构如图2所示，包括固定机架1,移动机架2，皮带支撑辊系3、皮带4、调整螺栓5、导向杆6、伸缩缸7。皮带支撑辊系3包括A、B、C、D、E五个支撑辊。其中，支撑辊A、B、C安装在固定机架1上，为固定辊系，在导板伸缩过程中其位置保持不变；支撑辊D、E可随移动机架2同步运动，为浮动辊系，在导板伸长过程中其位置发生变化。皮带4缠绕在皮带支撑辊系3上形成一个封闭的形状，支撑辊C底座上的安装孔为长孔，通过调整螺栓5可以调整皮带4的初始张紧度。工作时，在伸缩缸7的驱动下，移动机架2可沿着导向杆6作直线运动，移动机架2在运动的同时带动皮带支撑辊系3中的浮动辊系D和E一起运动，使皮带支撑辊系3中各个支撑辊的空间相对位置改变，从而实现皮带导板的伸缩功能。

图2 自张紧式伸缩皮带导板结构

3 皮带自张紧原理

皮带导板缩回时如图3所示，皮带导板伸长时如图4所示。对比图4与图3可知，在伸缩缸7的驱动下，支撑辊D、E随着移动机架2向前移动了一段距离，移动距离等于伸缩缸7的行程。图3与图4中皮带缠绕状态可分别简化为图5与图6，导板缩回时皮带缠绕状态如图5所示，导板伸长时皮带缠绕状态如图6所示。对比图6与图5可知，皮带只有AE段与CD段的长度在导板伸长与缩回两个状态时发生了变化，其变化可简化为图7所示。

图3 导板缩回时结构

图4 导板伸出时结构

图5 导板缩回时皮带缠绕状态

图6 导板伸出时皮带缠绕状态

皮带在缩回时的长度为

L=L0+Lae+Lcd

(1)

皮带在伸出时的长度为

L′=L0+Lae′+Lcd′

(2)

式中，L0为皮带在导板伸缩前后未发生变化部分的长度；Lae为导板缩回时AE段皮带长度；Lcd为导板缩回时CD段皮带长度；Lae′-导板伸出时AE段皮带长度；Lcd′为导板伸出时CD段皮带长度。

图7 导板伸缩前后皮带长度变化简图

导板伸出后与导板缩回时皮带的长度差ΔL为

ΔL=L′-L=S+Lcd′-Lcd

(3)

式中，S为伸缩缸的行程。

由三角形两边之和大于第三边可知，ΔL>0。也就是说与缩回状态相比，导板在伸长后皮带长度变长了，也就是说皮带在导板伸长过程中被拉长了，其张紧度更大了，即皮带在伸长的过程中产生了自张紧。

4 皮带张紧度计算

皮带的张紧度可以用皮带张紧后的长度与皮带原始长度的差值来衡量。显然，差值越大，皮带绷得越紧，即皮带张紧度越大。更进一步，如图7所示，记导板在缩回状态时，CD段皮带与水平方向夹角为θ，则

Lcd″=Lcd·sinθ

(4)

Ld′d″=Ldd″-Ldd′=Lcd·cosθ-S

(5)

(6)

则导板伸缩前后皮带长度差值ΔL与伸缩缸行程S之间的关系为

(7)

由此可见，导板在伸缩前后皮带的长度差ΔL是θ与S的函数，即导板伸长后皮带的张紧度是由导板的结构和伸缩缸的行程共同决定的。因此，通过合理地布置A、B、C、D、E五个支撑辊的位置以及选择伸缩缸的行程S，可以实现皮带所要求的张紧度。

5 工程应用

基于以上分析计算，中国重型机械研究院股份公司为天津忠旺铝业有限公司某厂清洗拉矫线上设计了一种自张紧式伸缩皮带导板，如图8所示。

图8 自张紧式伸缩皮带导板工程应用

根据导板所在位置机组的空间大小以及机组工艺要求，选择伸缩缸行程S为750 mm，支撑辊C、D之间皮带长度为1 007 mm。根据公式(7)，导板在伸缩前后的皮带长度差ΔL随角度θ的变化曲线如图9所示。通过图9中的曲线可知，当角度θ较小时，皮带长度差ΔL对θ的变化不敏感；随着角度θ的增大，皮带长度差ΔL对θ的变化越来越敏感。因此，设计时应该合理选择θ大小。θ太小，达不到皮带要求的张紧力；θ太大，过大的张紧力可能造成皮带损坏。