传输带在潮湿环境中的应用研究

郭 卫，吴林林，朱顺康，孙 徐，汤 丽，戈玉龙

(1.梅特勒-托利多(常州)测量技术有限公司，江苏 常州 213000；2.立达(中国)纺织仪器有限公司，江苏 常州 213000)

0 引言

传输带具有安装快捷、维护方便、造价低廉等优点[1]，在非标自动检测线中应用非常广泛。然而在使用过程中，如果输送产品为水产、冷冻、屠宰品等或者工作在潮湿环境，传输带与台面板之间会因为潮湿而产生“吸附”效应，因此会大大增加电机的负载，可能造成电机过载失效，甚至烧坏，从而影响传输性能。如果采用大功率电机，表面上解决了电机过载的问题，但同时费用也会大幅增加。此外，如果生产的产品大多数为干燥状态，仅少数为潮湿状态，此时使用大功率电机也会造成浪费。所以对于比较潮湿的环境，一般考虑其他的传输方式，这就大大限制了皮带传输的应用范围和领域。

目前针对传输带传动，一般对输送带的防跑偏问题研究较多[2-5]，但对于潮湿环境下皮带传输的应用研究却鲜有涉及。本文通过分析“吸附力”的来源，对输送带台面板的机械结构进行优化设计，并对优化后的结构进行传输扭力测试，通过对比试验找到一种改善效果更明显、改造工艺更方便的台面板结构形式，以减少因潮湿引发的皮带“吸附”效应，提高皮带传输的传送能力，进而拓展皮带传输的应用领域。

1 输送带台面板结构优化设计

输送带的结构形式如图1所示，主要由主动滚筒、台面板、传输带和从动滚筒组成，在食品行业，皮带的材质一般为PU。台面板具有支撑传输物品和增加整体设备刚性的作用，本文研究的原始台面板为450 mm×564 mm的不锈钢板，板厚为1.5 mm，台面板背后焊有焊接螺柱，用于将台面板固定于机架上。原始台面板结构示意图如图2所示。

图1 输送带结构示意图

图2 原始台面板结构示意图

1.1 开孔式结构台面板优化设计

根据通过减少潮湿环境中台面与传输带的“吸附”面积控制“吸附力”的思路来优化台面板。图3为沿传输方向平行布置开孔，腰型孔尺寸为75 mm×10 mm，开孔后台面与传输带的最大接触面积为0.196 m2。图4为沿传输方向分布的“鱼骨”状开孔，腰型孔尺寸为50 mm×30 mm，开孔后台面与传输带的最大接触面积为0.200 m2。两种开孔方案的接触面积基本相同。

图3 沿传输方向平行布置开孔

图4 沿传输方向“鱼骨”状布置开孔

1.2 凸起式结构台面板优化设计

考虑结构的通用性和加工的便捷性，表面“凸台”采用电阻焊焊接工艺进行加工，“凸台”高度为2 mm。对于焊接工艺，很难保证所有“凸台”表面的共面度，因此为防止表面“凸台”不共面而引发皮带跑偏问题，对台面板进行了凹槽折弯设计，用于防止传输带跑偏，如图5所示。

图5 凸起式结构台面板优化

2 台面板强度及变形分析

台面板最大负载为6 kg，通过背面的焊接螺柱与机架固定连接。利用有限元分析考察台面板结构的强度和变形情况，分析结果如图6～图13所示。

由图6、图7可知：原始台面板的最大应力为19.46 MPa，最大变形量为0.067 mm，整体变形方向为垂直于传输方向。

图6 原始台面板应力云图 图7 原始台面板变形云图 图8 沿传输方向平行布置开孔台面板应力云图

由图8、图9可知：沿传输方向平行布置开孔台面板最大应力为41.38 MPa，比原台面板增加112.6%;最大变形量为0.16 mm，比原台面板增加123.9%，整体变形平行于传输方向。

图9 沿传输方向平行布置开孔台面板变形云图 图10 沿传输方向“鱼骨”状布置开孔台面板应力云图 图11 沿传输方向“鱼骨”状布置开孔台面板变形云图

由图10、图11可知：沿传输方向“鱼骨”状布置开孔台面板最大应力为23.89 MPa，比原台面板增加22.7%；最大变形量为0.084 mm，比原台面板增加28.3%，整体变形量分成不连续的4部分。

由图12、图13可知：凸起式结构台面板最大应力为17.65 MPa，比原台面板降低9.3%；最大变形量为0.034 mm，比原台面板降低49.3%，整体变形量也分成不连续的4部分。

图12 凸起式结构台面板应力云图 图13 凸起式结构台面板变形云图 图14 电机的力矩曲线

强度及变形量大小的情况为凸起式结构台面板<原始台面板<“鱼骨”状布置开孔板<平行传输方向开孔板。整体形变的分布形式改善情况为凸起式结构板>“鱼骨”状布置开孔板>平行传输方向开孔板>原始台面板。

3 扭力测试

电机采用24 V直流电机，负载为6 kg，皮带为厚度0.7 mm的PU带，分别选择传输速度为20 m/min(电机转速4.2 r/s)、40 m/min(电机转速8.5 r/s)、50 m/min(电机转速10.5 r/s)和80 m/min(电机转速17 r/s)对不同台面进行扭力测试。电机的力矩曲线如图14所示。

3.1 干燥空载

干燥空载条件下测试得到的电机力矩曲线如图15所示。电机力矩在0.1 Nm～0.2 Nm之间，电机运行无故障发生。由图15可以看到：凸起式结构台面板比其他台面板电机力矩大0.1 Nm，这是由于凸起台面板增加了防跑偏设计，传输带附有的导向筋与台面板的导向槽有一定的摩擦力，从而使得电机力矩有所增加。由此可以看出，在没有潮湿“吸附”效应的情况下，电机的输出扭矩应该是一个基本恒定的值，且随着速度增加变化不大。

图15 干燥空载条件下电机的力矩曲线 图16 干燥负载条件下电机的力矩曲线 图17 潮湿空载条件下电机的力矩曲线

3.2 干燥负载

干燥环境下传输6 kg物品，测试得到的电机力矩曲线如图16所示。电机力矩在0.2 Nm～0.3 Nm之间，电机运行无故障发生。由图16可以看到：凸起式结构台面板比原始台面板和平行传输方向开孔台面板力矩大0.1 Nm，这同样是由防跑偏设计的摩擦力产生；在传输速度大于40 m/min时，“鱼骨”状布置的开孔台面板电机扭矩有所增加，这是由于随着速度加快，传输带的抖动加剧，与“鱼骨”槽口边缘发生一定的刮蹭，在一定程度上会增加电机负载，此外，刮蹭也会降低传输带的使用寿命。

3.3 潮湿空载

潮湿空载条件下测试得到的电机力矩曲线如图17所示。由图17可以看到：电机的力矩值为原始台面板>平行传输方向开孔台面板>“鱼骨”状布置开孔台面板>凸起式台面板，这表明，潮湿环境中，相同的接触面积，不同的开孔和布局方式对电机的负载情况也有较大影响；当传输速度达到80 m/min时，电机的转速为17 r/s，电机的额定扭矩大约为0.6 Nm，而此时原始台面和平行传输方向开孔板的工作电机的实际扭矩>0.6 Nm，电机会产生过载保护行为，这表明，在潮湿环境下，输送带与台面板之间的“吸附力”较大，且随着传输速度的提高，“吸附力”也呈现增加的趋势。因此，在实际应用中，如果不考虑运行环境的潮湿情况，非常容易引发传输故障。

3.4 潮湿负载

潮湿环境下传输6 kg物品，测试得到的电机力矩曲线如图18所示。由图18可以看到：电机的力矩仍然为原始台面板>平行传输方向开孔台面板>“鱼骨”状布置开孔台面板>凸起台面板；当传输速度达到80 m/min时，除凸起台面板的电机能够保持稳定可靠运行状态外，其余几种台面板的电机都有过载报警产生。从试验结果可以看出：在潮湿负载情况下，采用表面“凸起”台面板来传输物品，电机的输出扭矩比较稳定，能够消除大部分由传输带和台面板之间因潮湿而产生的“吸附力”。

图18 潮湿负载条件下电机的力矩曲线

4 结论

(1) 通过减少台面与传输带的接触面积可以有效地消除一部分因潮湿产生的“吸附力”，但在干燥环境中，减少接触面积对电机负载情况没有明显影响。

(2) 在接触面积相同条件下，开孔布置形式对受载后台面板的强度、变形以及变形分布有较大的影响，但强度及变形情况与开口尺寸大小并不一定呈现正相关关系。开孔形式和布局方式对消除潮湿环境的“吸附力”也有较大影响，采用“鱼骨”状分布形式的开孔方式比采用平行于传输方向开孔方式的台面板对消除“吸附力”效果好。

(3) 垂直传输方向的开孔尺寸过大容易引发传输带的刮蹭，从而影响电机性能及传输带寿命。

(4) 在潮湿环境下，输送带与台面板之间的“吸附力”较大，且随着传输速度的提高，“吸附力”也随之增加。

(5) 采用凸起式台面板来传输物品，对消除传输带和台面板之间因潮湿产生的“吸附力”效果较为明显。