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实验室测量输送带的压痕滚动阻力
摘要
输送带的压痕滚动阻力对于长带输送机而言是重要的设计考虑因素，并且对于重载荷带式输送机也是重要的。压痕滚动阻力取决于输送带的性质，包括胎体和底盖以及包括感应负载，带速度，环境温度和惰辊直径的带式输送机的性质。描述了一种专用的实验室测试设备来测量输送带的压痕滚动阻力。测试设备设计用于接受织物和钢丝绳带，并在一系列典型的操作参数和条件下进行测试。给出了一系列测试参数的结果，包括; 负载，皮带速度，惰辊直径，环境温度和底盖复合物。将测试数据应用于输送机设计也是为了展示如何通过更准确地评估不同橡胶化合物和带结构的性能来使用测试设备来提高输送带张力计算的精度。
关键词
皮带输送机 ;输送带 ;压痕滚动阻力
1.介绍
输送带是一种复合结构，包含支撑诱导拉伸载荷的胎体和保护胎体的覆盖物。带束层胎体通常由具有聚酯经线和尼龙纬线的织造织物或纵向钢缆线制成。运载罩保护胎体免受所输送的散装材料的影响，同时底罩保护胎体免受惰轮和滑轮的影响。
由于输送带底盖在胎体和连续的惰辊之间挤压时的变形，产生了压痕滚动阻力。当皮带驱动到卷中时，底盖被压缩，然后当带在辊上行进时，底盖被恢复，如图1所示。如图1（a）所示。由于底盖由于橡胶的粘弹性（时间相关）性质而不能以与其被压缩的相同速率恢复，所以形成不对称的压力分布，导致压痕滚动阻力。图。图1（b）示出了偏移压力分布，以及与所述带在辊上的移动相反的偏移力和阻力矩。带的运动阻力是传送带内的内部能量损失
的结果，其作为热量被带吸收。
图1压痕滚动阻力
当考虑长和/或重负载的带式输送机时，压痕滚动阻力是特别重要的。已经对带式输送机[1]，[2]，[3]，[4]，[5] 和 [6]的运动阻力进行了许多研究，其中压痕滚动阻力通常被认为是总阻力的最大贡献的长水平带式输送机。
本文介绍了一种独特的实验室测试设备，专门设计用于测量输送带的压痕滚动阻力。测试设施允许测试一系列操作变量，并有助于测量可以在设计过程中直接使用的数据。
2.压痕滚动阻力预测
由于压区滚动阻力对带式输送机设计的重要性，已经开发了各种分析和计算方法来预测压痕滚动阻力。理论方法包括一维和二维分析方法[1]，[2]，[4]，[7] 和 [9]和二维有限元法[5]，[6] 和 [8]。传统上，每种方法假定底盖被粘结到刚性边界，因此不承受带束层胎体的影响。然而，最近的研究表明，胎体结构的影响可以对压痕滚动阻力有显着的影响[10]。
所有理论方法都依赖于使用动态机械分析（DMA）设备测量底盖复合物的动态力学性能。这些测试依赖于时间 - 温度变换来模拟高频循环测试，其中在低温下收集的低频数据沿频率轴移动以在实际感兴趣的温度下模拟较高频率测试。这些模型的精度受到DMA测试程序和后分析技术的很大影响，特别是当在非线性粘弹性区域中工作时，因此需要由实验实验室或位点数据支持的显着的专业知识和经验。由于这些原因，压痕滚动阻力测量方法不仅提供了直接测量能量损失的机会，而且提供了验证理论测量的手段。
3.压痕滚动阻力测量
有几种类型的实验可用，允许压痕滚动阻力定性或定量测量; 测试类型可以分为提供连续测量的类型和不提供连续测量的类型。便于不连续压痕滚动阻力测量的实验包括摆锤试验[11]和倾斜平面实验[12]。连续型压痕滚动阻力实验可以在循环带压痕滚动阻力试验台上进行，该试验台可以是“滚筒”型或类似于具有平带的非常短的输送机的机器，其被称为“双滑轮试验机“由CEMA [13]。这些类型的试验台能够在稳态条件下进行测量。
3.1压痕滚动阻力试验设备
在澳大利亚纽卡斯尔大学设计，建造，委托并广泛测试了一个新的大型输送带压痕滚动阻力测试设施，这是由澳大利亚研究委员会联动项目计划资助的一个为期五年的研究项目的结果。压痕滚动阻力试验装置如图2所示。
图2压痕滚动阻力试验设备
测试设备被CEMA分类为“双滑轮测试机”，设计用于测试织物和钢丝绳带。该机器使用两个Oslash;1000mm皮带轮，并接受长度为29 m，宽度达600 mm的预拼接环形皮带样品，宽度为400 mm，以模拟皮带每单位宽度的较高负载。可施加到测试惰辊的最大负载为800kg，这允许400mm宽的带的最大带负载为19.6kN / m。
带或测试惰辊的负载由称为“压紧辊”的两个惰辊提供。这两个辊在测试惰辊的任一侧上等间隔地布置，并且布置成使得它们将带向下推并因此向测试惰辊施加负载。图。图3示出了由压紧辊产生的波浪形传送带路径。这种类型的装载方法的使用首先由Spaans [2]提出，并且被设计成模拟实际的带操作条件，主要是装载机构被设计成通过带束层胎架将载荷传递到测试空转辊，方式与悬挂在连续的惰轮组之间的带和散装材料重量被传递通过胎体。该装载方法还模拟在惰轮组之间发生的传送带松弛。
图3通过压紧辊和测试惰辊的皮带路径[14]
压痕滚动阻力测量装置被示出为位于图4中的测试设施的顶侧的中间。（为了清楚起见，皮带已被移除），但是它也可以直接放置在驱动皮带轮后面的压痕滚动阻力测试设备的头端。
图4压痕滚动阻力测量装置和压紧辊[14]
压痕滚动阻力测试设备接受一系列输送带惰辊直径。可用尺寸包括; Oslash;75mm，Oslash;100mm，Oslash;125mm，Oslash;150mm，Oslash;7“（177.8 mm），Oslash;7 5/8”（193.7 mm）和Oslash;8 5/8“（219.1 mm）。测试托辊由钢制成，并且被加工和动态平衡。试验托辊使用低摩擦屏蔽轴承，并且没有包括其他密封件以使轮缘阻力最小。
测试设备设计用于以0.6 m / s至10 m / s的速度测试皮带，以代表当前皮带输送机应用的绝大多数。类似地，为了表示皮带输送系统的典型操作温度，压痕滚动阻力测试装置被容纳在温度控制室内，以便于在-20℃和50℃之间进行测试。
3.2。测量框架
绝大多数压痕滚动阻力测试设备专用于传送带的再循环，并且只有机器顶部的小部分提供实际的压痕滚动阻力测量; 这部分测试台被称为测量框架。测量框架的视图如图1所示。5。测量框架包括两个主要部分：第一个是较大的外框架，其目的是支撑内部部分并提供需要的垂直调整，以确保测试惰辊能够位于正确的高度; 第二内部部分由下部框架和上部框架组成，下部框架上放置有测试惰辊，上部框架通过允许下部在顶部部分下方摆动的四个平行连杆连接在一起。
图5测量系统和支撑框架[14]
测量框架支撑每个测力传感器，测力传感器又将测试空转辊支撑在传送带下方的固定位置。为了支撑测试惰辊，需要6个测力传感器：4测量施加到辊上的垂直载荷; 1测量辊的轮缘阻力; 和1来测量水平阻力。4个垂直称重传感器是“S”型称重传感器，每个容量为2000 N; 轮辋牵引测力传感器是20N的负载梁; 并且水平拖曳力测力传感器是“S”型，其容量将为50N，100N或250N，这取决于试验带底盖的平滑度和预期的阻力范围。
测量系统的主要特征是使用两组将空转辊架连接到测量框架的其余部分的虚拟平行连杆。虚拟平行连杆的侧视图如图1所示。6。有四个单独的连杆，每个端部都具有挠曲枢轴，并且在一起作用时，允许保持测试空转辊的框架的大致水平运动。框架的运动实际上是弧，然而，对于小运动，运动可以被认为是水平的，并且每个连杆的长长度进一步减小了与水平运动相关联的垂直误差。包含垂直测力传感器的平行连杆不是如名称所暗示的真正的连杆，因为它们不在杆端部或一些其它运动铰链上枢转，而是依赖于薄钢带的弯曲以提供所需的运动。4个虚拟枢轴由0.55mm厚times;50mm宽的钢带制成。条带通过厚钢板在其大部分长度上保持刚性，但是每个条带上的2mm截面被允许根据需要弯曲，从而形成位于图1所示的每个圆中的虚拟铰链。6。
图6虚拟平行链接[14]
薄的虚拟铰链是无摩擦的，因为即使从非常小的力，最初未变形的钢带也不具有抗弯曲性。虚拟铰链的优点是在水平称重传感器读取力之前没有要克服的摩擦，这有助于提高结果精度。使用薄钢带模拟铰链的明显缺点是，如果它们变形太大，则它们将产生电阻，但是在该系统中，通过水平称重传感器的延伸来防止这种情况，该水平称重传感器在满载下为大约75mu;m，平行链接的长度为近400mm，这有助于最小化它们在操作中弯曲的角度。此外，由于虚拟链节的行为类似于普通的销连接，因为它们只能处于张紧或压缩中，并且不能传递弯曲力，因此它们处于完美的位置，以结合称重传感器来测量作用在测量辊上的垂直载荷。这样，四个链节中的每一个具有结合到其长度中的测力传感器。这些称重传感器在图1中清楚可见。
当通过测力传感器测量水平力时，该力的分量是旋转测量辊的轴承和密封件所需的带线力。这种力通常被称为轮缘阻力。为了从总水平力中减去轮辋牵引力，理想地同时测量轮辋牵引力。这通过利用图1所示的系统测量通过其轴承和密封件传递到测量辊的轴的扭矩来实现。
图7刀刃支撑[14]
测试惰辊在每端由一组刀刃支撑。刀刃是硬化的钢三角形棱柱，其顶部边缘位于测试惰辊的轴线上。其中一个深色的刀刃可以看到，如图所示。7刀口座是一个90°切口的圆柱体，为60°刀刃定位提供了空间; 这种组合允许空转辊的轴旋转达plusmn;15°。刀刃允许测试惰辊的轮缘牵引力经由螺纹杆传递到扭矩负载单元，而不会通过在刀刃和其座之间产生的滑动摩擦而过度影响测量。由刀刃和刀座产生的摩擦阻力的大小可以通过它们的接触半径忽略不计，假定刀刃磨削成精细的锐边缘，则该接触半径非常小。抵抗测试中间轴旋转的任何摩擦力乘
以接触半径，并且因此变得不重要。
3.3。垂直负载应用
为了进行压痕滚动阻力试验，需要对测量辊施加载荷。负载也需要改变以实现数据范围，这意味着带的恒定重量不够，并且除了带的自重之外，还需要施加一些其他负载。测试设备使用偏转带将可变负载施加到测试传送器惰辊上，如图1所示。3。“压紧辊”用于在测量辊的任一侧上向下推动带的顶部，两者与中心具有相等的距离。当使用“压紧辊”时，由于由带形成的角度，通过带张力的垂直分量将重量施加到测量辊。测量辊上的负载可以通过改变带偏转的程度或通过移动尾端皮带轮来改变带张力来改变; 通常压紧辊保持在固定位置，并且负载通过移动尾端滑轮而变化。这种类型的测试的优点在于测试钢丝帘线增强输送带，因为其允许通过钢帘线将负载直接施加到测量辊，模拟实际输送带的负载力学和下垂。已经发现，对于这种类型的负载应用，改变带偏转或相等的横摆比率对压痕滚动阻力结果具有影响。这种影响将在结果部分进一步描述。
3.4。操作
当压痕滚动阻力测试设备最初设置为测试新的传送带时，或者当测试程序需要新的测试惰辊直径并因此需要辊更换时，新的测试惰辊必须安装和调平，框架必须对齐。进行测试惰辊的调平以确保其轴线是水平的，并且其接触传送带的点与其它传送器惰辊的顶部和两个带拉力处于相同的高度; 用经纬仪实现测试惰辊的平整。试验托辊支架框架的水平对准要难得多; 基本上，在该过程中，图6中的角度theta; 。8通过移动测试惰轮卷安装框架的水平位置被调节直到其为零。已知当添加重量时实现适当的水平对准 - 参见图3。9 - 到测试惰轮的支撑框架不会改变由水平拖拉测力计读取的值。如果重量的增加对水平阻力具有最小的影响，则假定将带载荷添加到测试传送器惰辊上也将没有效果。对准步骤对于产生精确的压痕滚动阻力结果是关键的; 然而，如果从用正向和反向运行的试验台进行的测量的平均值找到结果，则可以避免这种情况。不幸的是，由于皮带的运行提高了其温度，特别是在低温下，因此从两个方向进行测试是不切实际的，因为皮带运行的动作提高了其温度，特别是在低温下，并且从正确对齐的机器上收集可比较的结果更快，的时间。
图8在对准过程中作用在测试惰轮支座上的力
图9安装240 kg重量以设置水平牵引负载传感器的偏移量。请注意，测试带不与测试惰轮辊或框架的任何其他部分接触。
一旦测试托辊直径和温度参数设置，测试可以开始。对于这部分测试，需要改变的唯一变量是皮带负载和皮带速度。在任何测试开始之前，测试带从测试惰辊上升起，并记录零载荷测量; 这些测量将用于在计算阶段期间正确地偏移测量。接下来，压紧辊被设置在正确的深度，以使带在测试惰辊上偏转，并且带张力被减小到刚好高于其中带将在重力下下垂而不是在压紧辊的影响下的水平。然后，以最低测试速度启动测试装置，并且对于多个皮带循环收集来自测力传感器的数据。然后将带的速度增加到下一速度，并收集更多的数据; 重复该过程，直到测试了所有的皮带速度。现在皮带张力增加到下一个水平，以增加测试惰辊上的皮带负载，并且对于所有测试速度重复数据收集循环。在大约五个不同的带张力下收集数据，该张力范围从接近最小给定到接近试验台的极限。当测试完成时，冷却室的温度被改变，并且在24小时的时间段之后重复负载和速度测试 - 或者如果正在测试极端温度，则重复该测试。
4.测试结果
图。10，图 11，图 12，图 13，图 14 和 图 图15示出了针对一系列垂直负载，带速
度和惰辊直径的带测试的结果。所给出的数据用于具有低滚动阻力（LRR）底盖化合物的400mm宽的带样品。底盖厚度为5 mm，数据显示在18plusmn;2°C范围内的皮带温度。
图。10 和 图 11显示了在皮带速度和垂直负载范围内测试的Oslash;125mm卷材的数据。图。图10示出了施加到带的负载。在这种情况下，示出了从1.4kN / m到5.7kN / m的5个负载条件，表示为带的每单位宽度的负载。图。图11示出了作为带速度的函数的每个加载条件的测量的压痕滚动阻力。所示数据包括惰轮辊的轮缘阻力，在分析过程中必须测量和减
去每个测试。
图10适用于一系列皮带速度的垂直载荷 - Oslash;125mm辊[14]
图11由一系列垂直载荷和皮带速度引起的压痕滚动阻力产生的测量力 - 直径为125 mm的轧辊[14]
图12对于一系列皮带速度，Oslash;12
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