Деформации элементов ремня при передаче тягового усилия

Отказ ремня, т. е. событие, заключающееся в потере работоспособности, наступает в момент, когда мгновенно действующая нагрузка (деформация) превысит предельную прочность какого-либо из основных элементов ремня.

Ремень в процессе работы находится в сложном напряженном состоянии, причем отдельные составляющие напряжений и деформаций циклически изменяются при обходе ремня по контуру ременной передачи. Особо сложен процесс деформации ремня при передаче тягового усилия на шкивах, где отдельные элементы ремня воспринимают напряжения растяжения от предварительного натяжения ремня, напряжения изгиба при охвате шкива, напряжения сдвига от передачи окружного усилия, причем распределение всех этих напряжений неравномерно по высоте, ширине ремня и длине дуги охвата.

Аналитическое определение напряжений и деформаций элементов клинового ремня с определением мест максимальной концентрации напряжений и учетом реальной анизотропии ремня, внецентренного приложения нагрузки, изменения фрикционной связи по высоте канавки и длине дуги охвата может быть выполнено лишь с допущениями, не исключающими некоторой неточности расчета.

Наглядную картину деформаций клинового ремня в процессе передачи тягового усилия дает непосредственное наблюдение за контактом ремня и шкива при передаче окружного усилия с фиксированием результатов на кинопленке. Стенд для изучения деформаций клинового ремня при передаче тягового усилия между клиновым ремнем и шкивом разработан на основе стенда СИС-1, предназначенного для изучения процесса передачи тягового усилия на барабанах ленточных конвейеров.

Стенд (рис. 9) состоит из приводного 1 и тормозного 2 шкивов, кинематически связанных с двигателями постоянного тока, управляемыми по системе Г—Д с электромашинными усилителями. Шкивы консольно сидят на концах валов, что позволяет быстро, без разборки стенда, менять установленные клиновые ремни. Стенд снабжен грузовым натяжным устройством 3 для создания необходимого натяжения ведомой ветви ленты и приспособлением 4 для замера натяжения ведущей ветви ремня.

На кронштейне, закрепленном на приводном шкиве и вращающемся вместе с ним, закреплена киносъемочная камера КС-50Б, приспособленная для крупномасштабной съемки и снабженная электронной синхровспышкой.

Рис. 9. Схема стенда для исследования деформаций клинового ремня

Обод приводного шкива с клиновой канавкой стандартного сечения для ремня профиля Г (32 X 19 мм) изготовлен из прозрачного оргстекла. На рабочей поверхности канавки (соприкасающейся с ремнем) нанесены риски: радиальные (через 2 градуса) и кольцевые (через 5 мм). На рабочей поверхности ремня нанесены риски (через 5 мм), перпендикулярные продольной оси ремня.

Деформации сечений и относительное перемещение ремня и шкива определяются сравнением на кинокадрах рисок, нанесенных на шкив и ремень. Использование киносинхроскопа дает возможность проводить съемку с реальной экспозицией, не превышающей 0,0001 с, т. е. четко зафиксировать как плавное скольжение ремня, так и автоколебания, возникающие при скольжении.

Изображение участка контакта ремня и шкива фиксируется на пленке в масштабе 1:1, что дает возможность достаточно точно зафиксировать малые деформации элементов ремня.

Техническая характеристика стенда

• Диаметры приводного и     тормозного    шкивов, мм……… 300
• Расстояние между центрами шкивов, мм……… 2000
• Частота вращения шкивов, об/мин ……… 0-30
• Максимальное натяжение ветви, даН:
• Сбегающей……… 100
• набегающей……. 400
• Угол охвата приводного     шкива,            градусы……180
• Число кадров в секунду (скорость съемки)………..8, 12, 16, 24, 48

В ходе испытаний широко варьировались начальные натяжения ремня и окружные усилия от нуля до предельного значения, вызывающего полное буксование ремня.
Результаты обработки кинограмм показывают, что деформации элементов ремня распределены неравномерно как по ширине и высоте ремня, так и по длине дуги охвата шкива ремнем.

Общая дуга охвата шкива ремнем складывается из дуги покоя и дуги скольжения, как это и следует из общей теории передачи тягового усилия трением упругой гибкой нити.
На дуге покоя (рис. 10, а) отсутствует смещение элементов ремня относительно шкива и сохраняется плоскостность поперечного сечения ремня. Незначительное перемещение ремня наблюдается в начальной дуге при входе ремня на шкив (~10-15°), где ремень переходит из прямолинейного в криволинейное состояние и углубляется в канавку шкива.

Часть ремня, расположенная выше нейтрального слоя, испытывает напряжения растяжения, часть, расположенная ниже, — значительные по величине напряжения сжатия.

Рис. 10. Деформации клинового ремня при передаче окружного усилия:

• а — дуга покоя:
• б — дуга сцепления;
• в и г — дуги скольжения

            Термин «дуга скольжения» применительно к передаче окружного усилия клиновым ремнем может быть использован лишь условно: под ним понимается дуга, где имеется относительное перемещение каких-либо элементов ремня относительно шкива, которое может сопровождаться или не сопровождаться скольжением контактирующих точек ремня и шкива. Несовпадение поверхностей передачи окружного усилия (рабочая поверхность ремня) и поверхности восприятия (слой кордшнуров или кордткани) ведет к тому, что на шкивах эксцентриситет действия сил вызывает искривление плоских поперечных сечений ремня, нарастающее по мере удаления от начала входа на шкив (рис. 10,6).

В этой зоне дуги охвата, называемой иногда «дугой сцепления», относительного скольжения точек контакта нет, но деформации элементов ремня, ведущие к искривлению сечения, указывают на неравномерность распределения нагрузки по ширине тягового слоя, причем наиболее нагружены нити кордшнура (кордткани), примыкающие к поверхности контакта ремня со шкивом.

По мере дальнейшего движения ремня по шкиву искривление сечения достигает предельной величины, обусловленной силой трения ремня о шкив, и начинается упругое проскальзывание участка ремня, примыкающего к тяговому слою (рис. 10, в). Происходит перекос сечения ремня, причем наибольшее отклонение от прямолинейности наблюдается на участке, примыкающем к несущему слою. Это указывает, что именно здесь сконцентрированы напряжения сдвига, приводящие к расслоению ремня.

При достижении критической величины перекоса сечения ремня начинается поступательное проскальзывание ремня относительно шкива с сохранением эквидистантности деформированных сечений (рис. 10, г). Скольжение на двух последних участках сопровождается автоколебаниями. Наличие всех четырех зон дуги охвата или только части из них зависит от соотношения окружного усилия, начального натяжения ремня и коэффициента трения ремня о шкив. При малых окружных усилиях отмечаются лишь дуга покоя и дуга сцепления. По мере увеличения нагрузки наблюдается появление двух последних зон. Дальнейшее увеличение нагрузки ведет последовательно к исчезновению дуги покоя, сокращению дуг сцепления и частичного проскальзывания, и, в пределе, к полному буксованию ремня на шкиве.

Таким образом, эксперимент показал, что максимальные знакопеременные напряжения сжатия — растяжения возникают в участках ремня, примыкающих к месту стыка нижнего основания и рабочей поверхности ремня, а максимальные деформации сдвига — в участках ремня, примыкающих к крайним нитям кордшнура (кордткани). На этих же участках зафиксированы и максимальные напряжения от контактного давления ремня на шкив.

Эти напряжения, циклически изменяющиеся за каждый пробег ремня по контуру передачи, приводят в итоге к одному из наиболее типичных видов отказа ремня: трещинам резины слоя сжатия и расслоению ремня.