同步帶失效分析.docx

同步帶失效分析同步帶的失效模式有很多原因，而有時(shí)皮帶的失效模式還很難去判定。該產(chǎn)品應(yīng)用備忘錄的目的就是為了定義、舉例說(shuō)明并判定通常同步帶的失效模式，以便我們采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施和糾正行動(dòng)。皮帶的正常磨損和失效 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(shí)，皮帶失效是屬于正常情況。在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(gè)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(huì)失效，但是這不屬于理想的皮帶失效模式。在長(zhǎng)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(huì)出現(xiàn)磨損。皮帶帆布的外露纖維會(huì)使皮帶齒部看起來(lái)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(huì)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(jí)，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 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(shí)，這種失效模式就會(huì)發(fā)生。急劇的彎曲會(huì)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。皮帶折曲失效是最常見(jiàn)的一種失效模式，通常與皮帶操作不當(dāng)、安裝張緊力過(guò)低、帶輪的直徑過(guò)小和帶輪里有異物等有關(guān)。圖3 折曲失效 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(shí)的操作不當(dāng)。皮帶在過(guò)低張緊力的情況下運(yùn)行可能會(huì)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(dòng)張緊。 自動(dòng)張緊在皮帶的松邊或皮帶齒部進(jìn)入從動(dòng)輪輪槽的地方可最清晰地觀察到。當(dāng)皮帶自動(dòng)張緊的時(shí)候，皮帶齒部會(huì)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(shí)，常常導(dǎo)致皮帶與帶輪接觸點(diǎn)發(fā)生劇烈、瞬時(shí)的彎曲，這種彎曲會(huì)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(huì)產(chǎn)生跳齒，也同樣會(huì)產(chǎn)生折曲失效或皮帶齒部損傷。 皮帶進(jìn)入直徑過(guò)小的帶輪時(shí)，也會(huì)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)定的最小值、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(huì)導(dǎo)致皮帶折曲失效。 傳動(dòng)系統(tǒng)有異物進(jìn)入也同樣會(huì)使皮帶產(chǎn)生折曲，他們會(huì)使皮帶與帶輪間形成個(gè)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(huì)使皮帶損壞。在受到異物進(jìn)入或安裝時(shí)使用工具不當(dāng)（如螺絲刀）對(duì)皮帶損傷后，皮帶不會(huì)立即失效，但是皮帶總體壽命會(huì)下降。沖擊負(fù)荷 當(dāng)從動(dòng)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(shí)，這種沖擊負(fù)荷要超過(guò)皮帶本身能承受的力，傳動(dòng)系統(tǒng)中的沖擊負(fù)荷就出現(xiàn)了。往往會(huì)加劇皮帶的失效。普通的三角帶可以用瞬間打滑來(lái)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(guò)即時(shí)沖擊負(fù)荷后可發(fā)展成齒根開(kāi)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(lái)還是正常的。圖5 說(shuō)明了齒根開(kāi)裂如何在齒內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散。在齒根形成的裂縫有時(shí)會(huì)擴(kuò)散到齒尖。積聚過(guò)多裂縫時(shí)齒部就會(huì)剪切，就會(huì)只剩下齒的一部分。圖4 沖擊負(fù)荷 圖5 沖擊負(fù)荷 從動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷可能是傳動(dòng)系統(tǒng)操作中固有的一部分，或者可能是來(lái)自于偶然的，苛刻的情形，比如堵塞。如果傳動(dòng)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(lái)代替同步帶驅(qū)動(dòng)。皮帶安裝張力過(guò)高 同步帶安裝張力過(guò)高會(huì)導(dǎo)致皮帶齒部剪切或斷裂。很多張力過(guò)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(guò)的表面區(qū)域和齒根開(kāi)裂的例子。齒根開(kāi)裂通常會(huì)通過(guò)芯線擴(kuò)展到其相鄰的開(kāi)裂處，個(gè)別的皮帶齒部會(huì)慢慢脫落。圖7 是張緊力過(guò)高的皮帶在大帶輪上被磨過(guò)的痕跡。過(guò)高的皮帶表層壓力會(huì)導(dǎo)致皮帶大面積區(qū)域磨損，最終導(dǎo)致皮帶芯線暴露在外。為了防止這樣的磨損問(wèn)題，適當(dāng)?shù)钠О惭b張力值必須要準(zhǔn)確的設(shè)定。圖6 張緊力過(guò)高 圖7 張緊力過(guò)高皮帶安裝張力過(guò)低 中度到高度負(fù)荷的傳動(dòng)系統(tǒng)中安裝張力過(guò)低也會(huì)導(dǎo)致皮帶過(guò)早的失效。通常張力過(guò)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(duì)應(yīng)的輪槽，并且其根部不再承受負(fù)荷。傳動(dòng)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(dòng)。齒部滾動(dòng)時(shí)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(kāi)始以條狀脫離皮帶，如圖8 所示。由于過(guò)多跳齒導(dǎo)致的失效可能看起來(lái)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(dòng)張緊時(shí)， 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(méi)有跳齒并且在自張緊時(shí)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(guò)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(dòng)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(guò)低 圖9 張緊力過(guò)低 通常提高皮帶安裝張力可以防止皮帶過(guò)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(dòng)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(dòng)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(jì)軟件中獲得，通過(guò)設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行計(jì)算或者尋求蓋茨銷售人員的支持。帶輪不平行 皮帶在運(yùn)行時(shí)，帶輪軸成一定角度， 或帶輪齒形在加工時(shí)存在錐度問(wèn)題，由于施加在皮帶上的負(fù)載不均勻，帶齒之間會(huì)出現(xiàn)不均勻的擠壓。皮帶失效經(jīng)常從齒根開(kāi)裂處或從承載張力最大的皮帶側(cè)面開(kāi)始撕裂并擴(kuò)展到整個(gè)皮帶寬度， 最終導(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(huì)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。圖10 帶輪不平行 皮帶運(yùn)行在不平行有擋邊的帶輪時(shí)，如果皮帶被擠壓在兩個(gè)相對(duì)的擋邊中，會(huì)導(dǎo)致皮帶兩側(cè)嚴(yán)重磨損。在這種情況下，皮帶會(huì)從齒根裂縫或從兩側(cè)撕裂。這種撕裂最終會(huì)擴(kuò)展到整個(gè)皮帶，導(dǎo)致皮帶齒部剪切。 皮帶運(yùn)行在一個(gè)帶輪兩邊都有擋邊和一個(gè)帶輪兩邊都沒(méi)有擋邊時(shí)，如果兩個(gè)帶輪不平行，那么皮帶會(huì)部分向沒(méi)有擋邊的帶輪移動(dòng)，無(wú)擋邊帶輪中這部分皮帶將會(huì)承受全部負(fù)載并且可能在運(yùn)行一段時(shí)間后產(chǎn)生一個(gè)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(huì)有根部裂縫。皮帶強(qiáng)度或齒面疲勞最終都會(huì)導(dǎo)致皮帶的過(guò)早失效。 圖11 帶輪不平行帶輪不合格 無(wú)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(guò)早失效通常很難識(shí)別。部分是因?yàn)楫?dāng)皮帶失效時(shí)，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(wèn)題。皮帶在尺寸有問(wèn)題的帶輪上運(yùn)行時(shí)，其齒部側(cè)面會(huì)出現(xiàn)高度磨損，同時(shí)皮帶側(cè)面的帆布成模糊的絨毛狀或片狀。如圖12 所示。圖12 帶輪不合格 圓弧齒皮帶（HTD，GT2） 運(yùn)行在直徑過(guò)小的帶輪系統(tǒng)中，會(huì)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(jiàn)。圖13 帶輪過(guò)小 圖14 帶輪磨損 張緊力過(guò)高可能導(dǎo)致帶輪更多的磨損。運(yùn)行時(shí)間很長(zhǎng)的皮帶的齒面或帆布有時(shí)已經(jīng)完全磨損掉，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(huì)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(guò)的表面非常尖銳最好用螺絲起子去感覺(jué)，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，帶輪最容易被迅速磨損。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(guò)硬鍍鉻過(guò)的帶輪可以延長(zhǎng)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(guò)度磨損。帶輪跳動(dòng) 皮帶運(yùn)行在徑向跳動(dòng)的帶輪系統(tǒng)中時(shí)，帶輪旋轉(zhuǎn)時(shí)皮帶的張緊力會(huì)周期性的升降。跳動(dòng)的越厲害，最大張緊力就升的越高。受此影響，使齒底看起來(lái)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(guò)高所導(dǎo)致的現(xiàn)象相類似。而極端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。圖15 帶輪跳動(dòng) 帶輪往錐套上安裝，或在最小的帶輪光孔基礎(chǔ)上進(jìn)行再擴(kuò)孔后安裝時(shí)，往往容易發(fā)生跳動(dòng)。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(jì)手冊(cè)中有詳細(xì)的說(shuō)明。腐蝕空氣 皮帶運(yùn)行在腐蝕性空氣的應(yīng)用領(lǐng)域時(shí)，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(huì)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(zhǎng)皮帶和帶輪的壽命，最好安裝個(gè)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。圖16 腐蝕空氣高溫降解 當(dāng)橡膠皮帶工作在高溫（高于85）較長(zhǎng)一段時(shí)間后，橡膠成分會(huì)變硬，由于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)彎曲導(dǎo)致背部開(kāi)裂。這些開(kāi)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(huì)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(qǐng)與蓋茨的銷售人員聯(lián)系。圖17 溫度過(guò)高導(dǎo)致橡膠開(kāi)裂 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(guò)85時(shí)，帶齒可能會(huì)變軟并且變形。此外，芯線也會(huì)完全喪失對(duì)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。圖18 高溫降解化學(xué)降解 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(huì)變硬，皮帶會(huì)呈現(xiàn)背部開(kāi)裂。但開(kāi)裂的形式不太一致，因