風電聚氨酯齒型同步帶性能試驗設計及應用

彭立群，林達文，王 進，陳聰聰，陳 剛

[1.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007；2.國家軌道交通高分子材料及制品質量監督檢驗中心（湖南），湖南 株洲 412007]

風電聚氨酯齒型同步帶（以下簡稱同步帶）是一種新型的傳動帶，具有傳動比準確，結構緊湊，耐油、耐磨、耐老化性能好，不打滑，初張力低，效率高，無需潤滑和維護方便等優點。同步帶主要由金屬鋼絲繩和聚氨酯材料通過高溫、高壓硫化工藝制成，應用于風力發電機組變漿系統，是該系統中一個關鍵的傳動部件。

破斷力和齒體剪切力是同步帶重要的力學性能，也是保證風力發電機組變漿系統正常工作的重要參數，因此有必要對同步帶性能進行研究。

本工作介紹一種鋼絲繩與聚氨酯復合結構的新型同步帶，以國內某企業送檢的同步帶為研究對象，設計一種新型試驗方案，并且對同步帶性能進行了測試，相應成果可為同步帶類產品性能試驗提供參考[1-9]。

1 同步帶結構

同步帶安裝于風力發電機輪轂與葉片根部之間，其兩端與葉片根部金屬法蘭相連接，通過電機驅動同步帶并產生張力，使葉片按照需要的角度進行變漿。同步帶安裝位置如圖1所示。

同步帶主要由齒體、芯繩（鋼絲繩）和齒面包布3部分組成（見圖2）。齒體材料為聚氨酯或聚四氟乙烯（PTFE）+聚氨酯，齒面材料為熱塑性樹脂（PA66）或低密度聚乙烯（LDPE）+PA66。本試驗同步帶齒體材料采用聚氨酯。

2 實驗

2.1 試驗標準

由于目前還沒有成熟的風電齒型同步帶性能試驗標準，試驗主要參照同類試驗標準：GB/T 10716—2012《同步帶傳動 汽車同步帶 物理性能試驗方法》、GB/T 13487—2017《一般傳動用同步帶》、GB/T 30172—2013《同步帶傳動 安裝技術規范》等，因此針對風電齒型同步帶成品進行非標試驗設計具有非常重要的意義。

2.2 試驗方案

2.2.1 窄帶破斷力試驗

窄帶破斷力試驗是從成品同步帶中截取規定寬度的試樣進行拉伸破壞試驗，測試同步帶破壞時的狀態和最大破壞力。試驗按安裝方式分直接夾持、纏繞夾持和齒輪夾持3種。

（1）直接夾持試驗。同步帶試樣在電子萬能拉力試驗機上進行試驗，試驗機上下端配有液壓夾具，通過加工帶斜度的齒型夾塊在垂直拉力作用下將拉力轉換成水平方向的嚙合力，同時啟用液壓夾緊裝置，將同步帶與工裝夾塊和試驗機夾構成一個整體（見圖3），其中試驗機下端為固定端，上端串聯載荷傳感器與動橫梁一起向上移動，進而形成對同步帶的拉伸，并通過傳感器記錄拉伸載荷。這種方式裝置結構簡單、安裝方便，但只適用于拉伸載荷較小的同步帶試驗，無法滿足大載荷拉伸試驗要求，且試驗破壞面主要集中在兩個夾持面，無法反映同步帶中間部位破壞的真實狀態，因此有必要改進。

（2）纏繞夾持試驗（見圖4）。纏繞分斜塊纏繞和螺栓纏繞2種。斜塊纏繞是指在直接拉伸的基礎上將同步帶打折彎曲后繞斜塊纏繞1圈后再夾持，從而達到增加接觸面積、形成更大摩擦力的目的。但受試驗機夾具尺寸的限制，這種方式只能實現小尺寸同步帶夾持試驗。螺栓纏繞是指設計一種由平面夾板、齒面夾板和螺栓共同構成的專用夾持裝置，先將同步帶纏繞在專用夾持裝置上，并通過螺栓施加預緊力實現第1次預夾緊，然后將其整體安裝于試驗機夾具上，實現第2次正式夾緊，其目的是通過2次施加夾緊力以獲取更大的拉伸載荷，滿足同步帶拉伸試驗的要求。

（3）齒輪夾持試驗。本試驗設計一組齒輪夾持裝置，將同步帶原有的直線接觸方式調整為弧線接觸方式，通過弧線纏繞實現同步帶齒面與齒輪的嚙合，這種夾持方式不僅減小了同步帶在夾持面的接觸應力，避免同步帶在夾持面提前破壞，而且更加接近實際安裝工況，能夠更準確地測試出同步帶破壞時的數據，同時試驗不需要液壓夾緊裝置，應用范圍更廣。

2.2.2 齒體剪切力試驗

齒體剪切力試驗是測試單個聚氨酯齒體在剪切破壞時的狀態和最大破壞力。同步帶上端采用齒輪夾持裝置，下端設計1個可施加壓剪力的可調試驗裝置，該裝置主要由外部固定架、齒型條、調節板、PTFE滑板和預緊螺栓組成（見圖5）。同步帶安裝于調節板與齒型條之間，可通過螺栓施加不同的預緊力，進而實現不同預緊力的齒體剪切力試驗。

齒體剪切力試驗裝置由上夾持裝置、同步帶、框架、夾板、耐磨板、鏡面不銹鋼板、預緊螺栓組成，見圖6。

2.2.3 屈撓疲勞試驗

屈撓疲勞試驗是測試同步帶在配重動態傳動工況下的耐久疲勞壽命。試驗設計具有高度差的齒輪傳動軸承座，將同步帶纏繞于2個齒輪之間，同步帶一端懸置質量塊模擬同步帶在傳動過程中的負載，另一端與液壓油缸連接，通過液壓油缸施加的前后位移促使同步帶在配重工況下實現動態傳動，進行同步帶的屈撓疲勞試驗。屈撓疲勞試驗裝置如圖7所示。

3 結果與討論

3.1 工裝強度及同步帶應力應變分析

為檢驗試驗工裝關鍵承載件的強度和剛度是否滿足試驗要求，針對試驗工裝關鍵承載進行靜態分析。剪切塊和嚙合塊的應力、變形云圖分別如圖8和9所示。工裝強度和剛度計算結果滿足試驗要求。

建立帶寬20 mm、5齒同步帶有限元模型，主要針對同步帶在嚙合受力工況的應力和應變分布情況進行分析，并與試驗進行比對。同步帶在嚙合力作用下的應力、變形云圖如圖10所示。

由圖10可知：同步帶齒面最大應力集中在齒底根部，也是同步帶與工裝嚙合接觸的位置，這與試驗實際受力工況基本一致；同步帶齒面最大變形發生在齒尖處，由于齒尖是純橡膠結構，在嚙合狀態下最先產生變形并填充齒間間隙，齒體變形與試驗情況基本一致。

3.2 破斷力試驗

3.2.1 試驗方法

試驗要求：夾在每個夾持器之間的試樣間距應大于200 mm，斷裂發生在試樣被夾持部位時試驗無效，同步帶試樣寬度為20 mm。

試驗方法：將試樣兩端使用夾持器夾持，以10 mm·min-1的加載速率對試樣施加拉伸載荷，直至試樣被拉斷，記錄試驗過程中試樣拉伸變化情況、最大破壞變形、載荷以及破壞狀態。

3.2.2 破斷變形與載荷特性

同步帶破斷變形與載荷曲線如圖11所示。

由圖11可知，同步帶破斷力試驗分初始加載、持續拉伸和破斷3個階段。初始加載階段變形集中在0～10 mm范圍內，此時同步帶正由松弛狀態調整至張緊狀態，夾具與同步帶正處于初步嚙合狀態，同步帶的拉伸載荷隨拉伸變形的增大而增大，其中在拉伸變形8 mm前曲線上出現鋸齒，這是因為同步帶與夾具接觸時產生初始變形，隨著拉伸變形的持續增大，曲線變得更加光滑、鋸齒消除。持續拉伸階段是同步帶最重要的承載階段，此時的拉伸載荷主要由內置的鋼絲繩和表面的聚氨酯共同承擔，在持續拉伸階段載荷隨變形增大而明顯變化，對應的曲線斜率也越來越大，這表明同步帶的剛度也隨之增大，對應的剛性越來越好，相應的彈性變形也越來越小。剛度也是最能體現同步帶承載性能的重要參數。

破斷特性是同步帶的極限參數，是表征同步帶在極限拉伸狀態下的最大承載能力和變形，也是同步帶安全性的重要指標。由圖11可知，1#和2#試樣分別在75和67 kN載荷下發生破斷，對應的變形分別為23和24 mm，且破斷的拐點非常明顯，即在發生破斷前沒有出現類似金屬材料的屈服特性，發生破斷后變形停止增大，載荷急劇下降，因此準確測試出同步帶的最大破斷載荷對相應結構設計具有非常重要的意義。

從1#和2#試樣的變形與載荷曲線一致性來分析，2個試樣的拉伸載荷隨變形增大而變化的趨勢基本一致，2條曲線均分為初始加載、持續拉伸和破斷3個階段，且3個階段對應的斜率也基本一致，這表明該結構同步帶的制樣工藝和性能是穩定的。

3.2.3 試驗過程狀態

同步帶破斷力試驗主要通過拉伸方式來測試同步帶的力學性能參數，試驗過程分加載初期、承載中期和破斷3個部分。在加載初期，同步帶表面的齒并沒有與夾具的齒完全嚙合，隨著拉伸載荷的增大，同步帶與齒輪基本形成一個整體，聚氨酯基本填滿所有齒的間隙，夾持的同步帶兩端最先由松弛狀態轉變成緊固狀態，尤其是在夾持的內側兩端是應力最為集中的區域，也是最可能導致試驗失敗的階段。在承載中期，檢驗同步帶鋼絲繩的承載特性，此時工裝夾具的間隙和同步帶的彈性變形已完全消除，處于夾具中間段的同步帶沒有出現異常狀態。在破斷狀態，同步帶的破斷位置處于中間段，符合破斷力試驗要求。

3.3 齒體剪切力試驗

3.3.1 試驗方法

試驗要求：試樣采用長度大于200 mm、寬度為20 mm（或其他尺寸）的窄帶，試驗用齒剪切夾持頭輪廓曲線采用與同步帶齒型相同的標準帶齒槽，其寬度應大于試樣寬度。

試驗方法：將試樣夾持在拉力試驗機的夾持器和齒體剪切裝置上，進行試驗時，齒剪切頭正好位于相鄰2個同步帶中間并與帶齒緊密貼合，該剪切裝置以相當于試樣寬度（單位為mm）157倍的夾緊力（單位為N）將試樣夾緊。啟動試驗機，以40 mm·min-1的加載速率對試樣施加拉伸載荷，直到試樣發生齒剪切破壞，記錄最大破壞載荷、變形和破壞狀態。

3.3.2 剪切變形與載荷特性

齒體剪切變形與載荷曲線如圖12所示。

由圖12可知：同步帶齒體在剪切狀態時，載荷隨拉伸變形增大而增大，其中1#和2#試樣分別在13.2和14.5 kN載荷下發生剪切破壞；在剪切試驗過程中1#和2#試樣的載荷與變形特性曲線基本重合，這表明該結構同步帶齒體結構性能穩定，具有較好的抗剪切性能。

4 結語

本工作設計了鋼絲繩與聚氨酯復合結構的新型同步帶的破斷力、齒體剪切力和屈撓疲勞試驗新方案，裝置結構合理、操作方便、滿足試驗要求，能準確地測試同步帶的性能，試驗設計達到預期目標，可為同類產品性能試驗設計及同步帶用骨架材料的試驗及研發提供參考，具有實用推廣價值。