傳輸帶在潮濕環境中的應用研究

郭 衛，吳林林，朱順康，孫 徐，湯 麗，戈玉龍

(1.梅特勒-托利多(常州)測量技術有限公司，江蘇 常州 213000；2.立達(中國)紡織儀器有限公司，江蘇 常州 213000)

0 引言

傳輸帶具有安裝快捷、維護方便、造價低廉等優點[1]，在非標自動檢測線中應用非常廣泛。然而在使用過程中，如果輸送產品為水產、冷凍、屠宰品等或者工作在潮濕環境，傳輸帶與臺面板之間會因為潮濕而產生“吸附”效應，因此會大大增加電機的負載，可能造成電機過載失效，甚至燒壞，從而影響傳輸性能。如果采用大功率電機，表面上解決了電機過載的問題，但同時費用也會大幅增加。此外，如果生產的產品大多數為干燥狀態，僅少數為潮濕狀態，此時使用大功率電機也會造成浪費。所以對于比較潮濕的環境，一般考慮其他的傳輸方式，這就大大限制了皮帶傳輸的應用范圍和領域。

目前針對傳輸帶傳動，一般對輸送帶的防跑偏問題研究較多[2-5]，但對于潮濕環境下皮帶傳輸的應用研究卻鮮有涉及。本文通過分析“吸附力”的來源，對輸送帶臺面板的機械結構進行優化設計，并對優化后的結構進行傳輸扭力測試，通過對比試驗找到一種改善效果更明顯、改造工藝更方便的臺面板結構形式，以減少因潮濕引發的皮帶“吸附”效應，提高皮帶傳輸的傳送能力，進而拓展皮帶傳輸的應用領域。

1 輸送帶臺面板結構優化設計

輸送帶的結構形式如圖1所示，主要由主動滾筒、臺面板、傳輸帶和從動滾筒組成，在食品行業，皮帶的材質一般為PU。臺面板具有支撐傳輸物品和增加整體設備剛性的作用，本文研究的原始臺面板為450 mm×564 mm的不銹鋼板，板厚為1.5 mm，臺面板背后焊有焊接螺柱，用于將臺面板固定于機架上。原始臺面板結構示意圖如圖2所示。

圖1 輸送帶結構示意圖

圖2 原始臺面板結構示意圖

1.1 開孔式結構臺面板優化設計

根據通過減少潮濕環境中臺面與傳輸帶的“吸附”面積控制“吸附力”的思路來優化臺面板。圖3為沿傳輸方向平行布置開孔，腰型孔尺寸為75 mm×10 mm，開孔后臺面與傳輸帶的最大接觸面積為0.196 m2。圖4為沿傳輸方向分布的“魚骨”狀開孔，腰型孔尺寸為50 mm×30 mm，開孔后臺面與傳輸帶的最大接觸面積為0.200 m2。兩種開孔方案的接觸面積基本相同。

圖3 沿傳輸方向平行布置開孔

圖4 沿傳輸方向“魚骨”狀布置開孔

1.2 凸起式結構臺面板優化設計

考慮結構的通用性和加工的便捷性，表面“凸臺”采用電阻焊焊接工藝進行加工，“凸臺”高度為2 mm。對于焊接工藝，很難保證所有“凸臺”表面的共面度，因此為防止表面“凸臺”不共面而引發皮帶跑偏問題，對臺面板進行了凹槽折彎設計，用于防止傳輸帶跑偏，如圖5所示。

圖5 凸起式結構臺面板優化

2 臺面板強度及變形分析

臺面板最大負載為6 kg，通過背面的焊接螺柱與機架固定連接。利用有限元分析考察臺面板結構的強度和變形情況，分析結果如圖6～圖13所示。

由圖6、圖7可知：原始臺面板的最大應力為19.46 MPa，最大變形量為0.067 mm，整體變形方向為垂直于傳輸方向。

圖6 原始臺面板應力云圖 圖7 原始臺面板變形云圖 圖8 沿傳輸方向平行布置開孔臺面板應力云圖

由圖8、圖9可知：沿傳輸方向平行布置開孔臺面板最大應力為41.38 MPa，比原臺面板增加112.6%;最大變形量為0.16 mm，比原臺面板增加123.9%，整體變形平行于傳輸方向。

圖9 沿傳輸方向平行布置開孔臺面板變形云圖 圖10 沿傳輸方向“魚骨”狀布置開孔臺面板應力云圖 圖11 沿傳輸方向“魚骨”狀布置開孔臺面板變形云圖

由圖10、圖11可知：沿傳輸方向“魚骨”狀布置開孔臺面板最大應力為23.89 MPa，比原臺面板增加22.7%；最大變形量為0.084 mm，比原臺面板增加28.3%，整體變形量分成不連續的4部分。

由圖12、圖13可知：凸起式結構臺面板最大應力為17.65 MPa，比原臺面板降低9.3%；最大變形量為0.034 mm，比原臺面板降低49.3%，整體變形量也分成不連續的4部分。

圖12 凸起式結構臺面板應力云圖 圖13 凸起式結構臺面板變形云圖 圖14 電機的力矩曲線

強度及變形量大小的情況為凸起式結構臺面板<原始臺面板<“魚骨”狀布置開孔板<平行傳輸方向開孔板。整體形變的分布形式改善情況為凸起式結構板>“魚骨”狀布置開孔板>平行傳輸方向開孔板>原始臺面板。

3 扭力測試

電機采用24 V直流電機，負載為6 kg，皮帶為厚度0.7 mm的PU帶，分別選擇傳輸速度為20 m/min(電機轉速4.2 r/s)、40 m/min(電機轉速8.5 r/s)、50 m/min(電機轉速10.5 r/s)和80 m/min(電機轉速17 r/s)對不同臺面進行扭力測試。電機的力矩曲線如圖14所示。

3.1 干燥空載

干燥空載條件下測試得到的電機力矩曲線如圖15所示。電機力矩在0.1 Nm～0.2 Nm之間，電機運行無故障發生。由圖15可以看到：凸起式結構臺面板比其他臺面板電機力矩大0.1 Nm，這是由于凸起臺面板增加了防跑偏設計，傳輸帶附有的導向筋與臺面板的導向槽有一定的摩擦力，從而使得電機力矩有所增加。由此可以看出，在沒有潮濕“吸附”效應的情況下，電機的輸出扭矩應該是一個基本恒定的值，且隨著速度增加變化不大。

圖15 干燥空載條件下電機的力矩曲線 圖16 干燥負載條件下電機的力矩曲線 圖17 潮濕空載條件下電機的力矩曲線

3.2 干燥負載

干燥環境下傳輸6 kg物品，測試得到的電機力矩曲線如圖16所示。電機力矩在0.2 Nm～0.3 Nm之間，電機運行無故障發生。由圖16可以看到：凸起式結構臺面板比原始臺面板和平行傳輸方向開孔臺面板力矩大0.1 Nm，這同樣是由防跑偏設計的摩擦力產生；在傳輸速度大于40 m/min時，“魚骨”狀布置的開孔臺面板電機扭矩有所增加，這是由于隨著速度加快，傳輸帶的抖動加劇，與“魚骨”槽口邊緣發生一定的刮蹭，在一定程度上會增加電機負載，此外，刮蹭也會降低傳輸帶的使用壽命。

3.3 潮濕空載

潮濕空載條件下測試得到的電機力矩曲線如圖17所示。由圖17可以看到：電機的力矩值為原始臺面板>平行傳輸方向開孔臺面板>“魚骨”狀布置開孔臺面板>凸起式臺面板，這表明，潮濕環境中，相同的接觸面積，不同的開孔和布局方式對電機的負載情況也有較大影響；當傳輸速度達到80 m/min時，電機的轉速為17 r/s，電機的額定扭矩大約為0.6 Nm，而此時原始臺面和平行傳輸方向開孔板的工作電機的實際扭矩>0.6 Nm，電機會產生過載保護行為，這表明，在潮濕環境下，輸送帶與臺面板之間的“吸附力”較大，且隨著傳輸速度的提高，“吸附力”也呈現增加的趨勢。因此，在實際應用中，如果不考慮運行環境的潮濕情況，非常容易引發傳輸故障。

3.4 潮濕負載

潮濕環境下傳輸6 kg物品，測試得到的電機力矩曲線如圖18所示。由圖18可以看到：電機的力矩仍然為原始臺面板>平行傳輸方向開孔臺面板>“魚骨”狀布置開孔臺面板>凸起臺面板；當傳輸速度達到80 m/min時，除凸起臺面板的電機能夠保持穩定可靠運行狀態外，其余幾種臺面板的電機都有過載報警產生。從試驗結果可以看出：在潮濕負載情況下，采用表面“凸起”臺面板來傳輸物品，電機的輸出扭矩比較穩定，能夠消除大部分由傳輸帶和臺面板之間因潮濕而產生的“吸附力”。

圖18 潮濕負載條件下電機的力矩曲線

4 結論

(1) 通過減少臺面與傳輸帶的接觸面積可以有效地消除一部分因潮濕產生的“吸附力”，但在干燥環境中，減少接觸面積對電機負載情況沒有明顯影響。

(2) 在接觸面積相同條件下，開孔布置形式對受載后臺面板的強度、變形以及變形分布有較大的影響，但強度及變形情況與開口尺寸大小并不一定呈現正相關關系。開孔形式和布局方式對消除潮濕環境的“吸附力”也有較大影響，采用“魚骨”狀分布形式的開孔方式比采用平行于傳輸方向開孔方式的臺面板對消除“吸附力”效果好。

(3) 垂直傳輸方向的開孔尺寸過大容易引發傳輸帶的刮蹭，從而影響電機性能及傳輸帶壽命。

(4) 在潮濕環境下，輸送帶與臺面板之間的“吸附力”較大，且隨著傳輸速度的提高，“吸附力”也隨之增加。

(5) 采用凸起式臺面板來傳輸物品，對消除傳輸帶和臺面板之間因潮濕產生的“吸附力”效果較為明顯。