機車空壓機皮帶張緊程度檢測方案設計

［摘 要］鐵路機車普遍采用空氣制動方式，空氣制動的風源來自空壓機，空壓機與動力源之間采用帶傳動。帶傳動設計中皮帶松緊程度是必須考慮的問題，皮帶安裝過松或過緊均會產生不良影響。皮帶安裝過松會出現打滑現象，影響傳動效果；皮帶安裝過緊會增加磨損，減少皮帶使用壽命。帶傳動設計時對帶傳動松緊程度的判斷是通過皮帶受力與撓度大小來判斷的，通過計算可以得出皮帶應該施加力的大小與撓度。但是，在皮帶實際安裝過程中，由于無法準確測量皮帶的受力和撓度，皮帶松緊程度通常通過用手按壓來判斷，導致空壓機皮帶松緊程度不合理。為了確保空壓機皮帶安裝張緊程度適中，文章設計了一種皮帶張緊程度檢測方案，該方案通過分別檢測皮帶安裝的壓力與撓度，進而判斷皮帶松緊程度是否符合安裝要求。該方案操作方便、成本低廉，可實現空壓機皮帶張緊程度檢測功能。

［關鍵詞］空壓機安裝；皮帶傳動；張緊程度檢測

［中圖分類號］U269.5 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0078–03

1 皮帶張緊程度計算方法

依據機械設計理論，可以計算在帶與帶輪的兩切點中心施加的載荷Wd 和該載荷下皮帶的撓度f。

載荷計算方法分新安裝的帶和運轉后的帶兩種情況，新安裝的帶載荷計算公式為：

式（1）～（3）中， 為單根皮帶的初張緊力， △F0為初張緊力增量。

撓度f 計算公式為：

f=1.6t/100（4）

式中，t為切邊長，計算公式為：

式中，a為帶輪中心距，da1為小帶輪外徑，da2為大帶輪外徑。

根據式（1）～（5）可得出皮帶的加載力與撓度要求。空壓機皮帶安裝張緊程度要求具體為：施加30～40 N 的力于兩帶輪皮帶切邊中點位置，皮帶撓度為10～15 mm。

2 皮帶張緊程度檢測方案設計

為了實現皮帶安裝工藝要求，文章將皮帶張緊程度檢測方案分為加載方案和皮帶撓度測量方案兩部分。

2.1 加載方案設計

根據空壓機安裝情況，不同車型皮帶兩帶輪切邊中心內側距（圖1）差異較大，目前車型變化范圍為180～300 mm。力的施加可選擇數顯式測力計（圖2），目前市場上測力計（加掛鉤）長度最小為155 mm。該款測力計質量為0.18 kg，加載時操作方便。皮帶上系1 根細線，用測力計掛鉤掛在細線上便可向里加載。

皮帶最大撓度為15 mm，假設受力后掛鉤處細線與皮帶距離為10 mm，則拉力施加需要的最小皮帶中心內側距為180 mm。因此，對于中心內側距大于180 mm 的車型，可選擇數顯式測力計施加拉力。但對于最小中心內側距180 mm，選用測力計直接加載，測力計末端很可能與皮帶干涉，導致加載失敗。

對于測力計加載空間不夠的車型，可采用傳感器加載（圖3），需要搭配掛鉤、示數器使用。傳感器高度為64 mm，掛鉤長度切斷處理后安裝總高度約為110 mm。加載需要的距離為45 mm。因此，皮帶內側加載空間足夠，該加載方案可行。

數顯式測力計加載方便，成本低，適用于皮帶內側距大于180 mm 的車型。傳感器加載成本較高，加載時需要連接示數器，但通用性好。

2.2 皮帶撓度測量方案設計

為了測量皮帶受力時的撓度，設計了測量尺，如圖4，測量時單手托著該測量尺并貼緊帶輪。測量尺由支撐桿、螺釘與觀測尺組成。皮帶加載后，通過觀測尺判斷撓度是否在指定范圍內，進而判斷皮帶松緊程度是否合理。皮帶撓度測量方案如圖4 所示。

2.2.1 觀測尺設計

觀測尺模型如圖5 所示，材料為透明亞克力板，該材料熱脹冷縮率低，季節變化對尺寸精度影響極小。由于皮帶撓度范圍為10～15 mm，所以可將觀測尺10～15 mm 段以下通過粘貼紙膠帶等方式進行非透明處理。加載時，在10～15 mm 透明段平視時若可看到皮帶，則皮帶松緊程度滿足安裝要求。

2.2.2 支撐桿設計

支撐桿材料為鋁合金，設計長度為1 000 mm。考慮現場可操作空間等因素，截面形狀為正方形，尺寸為40 mm×40 mm。不同壁厚會對支撐桿的質量、剛度等產生影響。支撐桿作為測量工具，應具有一定的剛度抵抗變形，否則回導致檢測結果不準確。根據使用工況，設支撐桿中部受力50 N，如圖6 所示。

采用疊加法對撓度進行計算，計算公式為：

ωmax=Fl3/48EI（6）

式中， ωmax為最大撓度，F為支撐桿受力，l為桿長，E為彈性模量，I為矩形截面對z軸的慣性矩，計算方法為：

Iz=hb3/12（7）

式中，h為支撐桿矩形截面的高，b為矩形截面的寬。

支撐桿設計時，不僅應考慮其剛度對測量性能的影響，還應考慮其質量對可操作性的影響。支撐桿壁厚對其質量、最大撓度的影響見表1。

由表1 可知，支撐桿壁厚與質量呈現線性關系，壁厚與最大撓度呈現非線性關系。考慮到測量精度及操作便利性，確定支撐桿壁厚為2 mm。

3 結束語

本機車空壓機皮帶張緊程度測量裝置設計從功能與約束出發，圍繞形狀、材料、剛度、質量、可操作性等因素展開設計。針對不同車型皮帶切邊中心內側距這一限制因素，設計了數顯式測力計加載和傳感器加載兩種加載方案。兩種加載方案成本均較低，可操作性強。通過實施該檢測方案，可確保機車空壓機皮帶安裝松緊程度合理，從而杜絕皮帶磨損過快或打滑問題，提高機車空壓機組裝可靠性。

參考文獻

[1] 成大先. 機械設計手冊第3 卷[M]. 北京：化學工業出版社，2009.

[2] 黃碩. 發動機皮帶張緊力的測量與研究[J]. 汽車工藝師，2018（9）：66-67.

[3] 比亞迪股份有限公司. 皮帶撓度測量器：2914063Y[P].2007-06-20.

[4] 中國鐵路上海局集團有限公司杭州機務段. 風泵皮帶撓度測量工具：212807545[P].2021-03-26.

[5] 寶雞石油機械有限責任公司. 一種皮帶張緊的檢測方法：107764457[P].2018-03-06.

[6] 劉鴻文. 材料力學[M]. 北京：高等教育出版社，2015.