故障診斷-同步皮帶

同步帶的失效模式

資料來源: www.gates.cn

同步帶的失效模式有很多原因，而有時皮帶的失效模式還很難去判定。該產品應用備忘錄的目的就是為了定義、舉例說明並判定通常同步帶的失效模式，以便我們採取適當的預防措施和糾正行動。

皮帶的正常磨損和失效

在皮帶運轉2 到3 年後，當其芯線達到疲勞壽命時，皮帶失效是屬於正常情況。在經過長期運轉後，皮帶由於芯線達到疲勞壽命而失效，這屬於理想的皮帶失效模式。圖1 是一個參差不齊的45 度角的鋸齒狀斷裂皮帶，這是典型的皮帶芯線達到正常的疲勞壽命造成的。

同步帶的齒部也同樣會失效，但是這不屬於理想的皮帶失效模式。在長期的運轉下，雖然皮帶能夠保持初始的大小和形狀，但是皮帶齒部會出現磨損。皮帶帆布的外露纖維會使皮帶齒部看起來粗糙毛燥，如圖2 所示。

運行2 到3 年後的皮帶不需要再採取任何改善措施。皮帶壽命會由於應用的不同，以及各種客觀因素而有較大變化。影響皮帶壽命的因素包括傳輸功率等級，環境，皮帶安裝張力，帶與輪的匹配，帶輪的質量水平，甚至是如何切割、包裝、運輸和安裝皮帶。

皮帶折曲失效

皮帶折曲失效模式通常表現為斷裂面芯線成直線排列。如圖3 所示。

當皮帶芯線彎曲到非常小的直徑時，這種失效模式就會發生。急劇的彎曲會使皮帶芯線纖維在巨大的壓力下彎曲和受損，從而使皮帶的拉伸強度下降。皮帶折曲失效是最常見的一種失效模式，通常與皮帶操作不當、安裝張緊力過低、帶輪的直徑過小和帶輪裡有異物等有關。

由於操作不當所引起的皮帶折曲原因有：存放不當、包裝不當和皮帶安裝前和安裝時的操作不當。皮帶在過低張緊力的情況下運行可能會一直跳齒直到達到可接受的張緊力，這種現象叫做自動張緊。

自動張緊在皮帶的松邊或皮帶齒部進入從動輪輪槽的地方可最清晰地觀察到。當皮帶自動張緊的時候，皮帶齒部會跳出帶輪輪槽直到皮帶緊邊加強的張力迫使皮帶齒部再進入到帶輪輪槽中。皮帶在被迫回到帶輪輪槽時，常常導致皮帶與帶輪接觸點發生劇烈、瞬時的彎曲，這種彎曲會導致皮帶芯線受損。這部分芯線損傷就被稱為折曲。如果緊邊張力不能使皮帶齒部進入帶輪輪槽， 則皮帶會產生跳齒，也同樣會產生折曲失效或皮帶齒部損傷。

皮帶進入直徑過小的帶輪時，也會導致皮帶芯線受損或折曲失效。帶輪和背部惰輪低於規定的最小值、皮帶和帶輪間有惰輪甚至用手以較小的銳角彎曲皮帶，都會導致皮帶折曲失效。

傳動系統有異物進入也同樣會使皮帶產生折曲，他們會使皮帶與帶輪間形成個尖角，使這一點的皮帶芯線出現折曲。用工具把皮帶強​​行撬到帶輪上也同樣會使皮帶損壞。在受到異物進入或安裝時使用工具不當（如螺絲刀）對皮帶損傷後，皮帶不會立即失效，但是皮帶總體壽命會下降。

衝擊負荷

當從動設備要求的間隙性或週期性扭矩負載大於正常水平時，這種衝擊負荷要超過皮帶本身能承受的力，傳動系統中的衝擊負荷就出現了。往往會加劇皮帶的失效。普通的三角帶可以用瞬間打滑來減緩衝擊負荷，但是同步帶必須要傳輸所有的負荷。

劇烈的衝擊負荷可以導致皮帶芯線以粗糙的不平均的形式斷裂，如圖4 所示。皮帶齒部在帶輪中經過即時衝擊負荷後可發展成齒根開裂和/或齒部脫落。如果衝擊負荷只發生一次，或在皮帶固定的位置重複循環，皮帶的其餘齒部可能看起來還是正常的。圖5 說明了齒根開裂如何在齒內進行擴散。在齒根形成的裂縫有時會擴散到齒尖。積聚過多裂縫時齒部就會剪切，就會只剩下齒的一部分。

從動設備產生的衝擊負荷可能是傳動系統操作中固有的一部分，或者可能是來自於偶然的，苛刻的情形，比如堵塞。如果傳動系統的衝擊負荷不可避免，皮帶的芯線強度就需要提高，或者用可以間歇打滑的三角帶來代替同步帶驅動。

皮帶安裝張力過高

同步帶安裝張力過高會導致皮帶齒部剪切或斷裂。很多張力過高的皮帶在皮帶齒面上都清晰地留下了輪齒磨損的痕跡。圖6 是皮帶被壓過的表面區域和齒根開裂的例子。齒根開裂通常會通過芯線擴展到其相鄰的開裂處，個別的皮帶齒部會慢慢脫落。圖7 是張緊力過高的皮帶在大帶輪上被磨過的痕跡。過高的皮帶錶層壓力會導致皮帶大面積區域磨損，最終導致皮帶芯線暴露在外。為了防止這樣的磨損問題，適當的皮帶安裝張力值必須要準確的設定。

皮帶安裝張力過低

中度到高度負荷的傳動系統中安裝張力過低也會導致皮帶過早的失效。通常張力過低導致的皮帶失效模式表現為跳齒。皮帶跳齒是指皮帶的齒爬出其對應的輪槽，並且其根部不再承受負荷。傳動負荷進一步作用於皮帶側面使皮帶齒部彎曲，然後跳動。齒部滾動時可導致橡膠從齒根沿著芯線撕裂。隨著橡膠撕裂的擴散，皮帶齒部開始以條狀脫離皮帶，如圖8 所示。由於過多跳齒導致的失效可能看起來好像橡膠與線繩的粘度不夠。然而，由於粘度不足所導致的失效，皮帶中外露芯線通常保持整潔，與滾齒失效模式不同。

當皮帶齒部爬出帶輪輪槽而自動張緊時， 在橡膠撕裂和齒部脫落前，皮帶容易產生跳齒。跳齒引起的皮帶芯線損傷往往導致皮帶強度提前失效，損傷情況與折曲失效的芯線斷裂情況類似（整齊斷裂）也同樣類似於衝擊負荷的斷裂（成鋸齒狀並有角度的）。如果皮帶沒有跳齒並且在自張緊時也在繼續運轉，這中情況下經常發生皮帶齒部過度磨損。這種齒部磨損叫做勾形磨損，是由於皮帶齒部與帶輪不匹配，如圖9 所示。勾形磨損是由於皮帶的安裝張力不夠和不牢固的傳動系統在低張力的情況下中心距變化所導致的。

通常提高皮帶安裝張力可以防止皮帶過早產生跳齒和勾形磨損。如果提高安裝張力後還是不能防止皮帶失效，可能是傳動系統結構不夠牢固，不能防止偏差。為了提高皮帶使用性能，非常有必要提高傳動結構的支撐力。如果提高安裝張力不現實，增加帶輪直徑， 可以使皮帶在低張力下傳遞較高負載。合適的安裝張力值可以從蓋茨的設計軟件中獲得，通過設計手冊進行計算或者尋求蓋茨銷售人員的支持。

帶輪不平行

皮帶在運行時，帶輪軸成一定角度， 或帶輪齒形在加工時存在錐度問題，由於施加在皮帶上的負載不均勻，帶齒之間會出現不均勻的擠壓。皮帶失效經常從齒根開裂處或從承載張力最大的皮帶側面開始撕裂並擴展到整個皮帶寬度， 最終導致皮帶齒部剪切。由於纖拉力比較大，皮帶擠壓嚴重的一側可能也會出現明顯的磨損，並且皮帶有可能爬出或滾到帶輪擋邊之處。圖10 顯示了高纖拉力導致了皮帶一邊嚴重的磨損。

皮帶運行在不平行有擋邊的帶輪時，如果皮帶被擠壓在兩個相對的擋邊中，會導致皮帶兩側嚴重磨損。在這種情況下，皮帶會從齒根裂縫或從兩側撕裂。這種撕裂最終會擴展到整個皮帶，導致皮帶齒部剪切。

皮帶運行在一個帶輪兩邊都有擋邊和一個帶輪兩邊都沒有擋邊時，如果兩個帶輪不平行，那麼皮帶會部分向沒有擋邊的帶輪移動，無擋邊帶輪中這部分皮帶將會承受全部負載並且可能在運行一段時間後產生一個集中磨損區域。圖11 就是大部分齒面的集中磨損，其它地方沒有磨損。在磨損區域下面可能會有根部裂縫。皮帶強度或齒面疲勞最終都會導致皮帶的過早失效。

帶輪不合格

無論是由於帶輪的生產不符合標准或磨損到超出標準造成的皮帶過早失效通常很難識別。部分是因為當皮帶失效時，幾乎很少有人去仔細地檢查帶輪， 而通常都認為是皮帶的自身問題。皮帶在尺寸有問題的帶輪上運行時，其齒部側面會出現高度磨損，同時皮帶側面的帆布成模糊的絨毛狀或片狀。如圖12 所示。

圓弧齒皮帶（HTD，GT2） 運行在直徑過小的帶輪系統中，會使帶體大面積分裂和皮帶拉伸性斷裂，如圖13 所示。梯形齒(XL, L, H) 皮帶通常​​是齒根裂縫或帶齒剪切，然而皮帶拉伸性斷裂倒不常​​見。

張緊力過高可能導致帶輪更多的磨損。運行時間很長的皮帶的齒面或帆布有時已經完全磨損掉，這種情況就預示帶輪磨損也已經產生。皮帶磨損後會使其芯線與帶輪接觸，從而造成帶輪的外周輪槽也磨損。帶輪的齒頂有凸起是帶輪磨損後的標誌，如圖14 所示。注意：磨過的表面非常尖銳最好用螺絲起子去感覺，以防手被劃傷。這種情況下，應該更換帶輪。

在腐蝕性空氣下，帶輪最容易被迅速磨損。嚴重磨損的帶輪通常表現為輪槽磨損和帶輪加工外徑的減少。磨損帶輪導致皮帶失效典型的表現為皮帶齒底磨光性損傷和齒部區域性尺寸變形。經過硬鍍鉻過的帶輪可以延長其在腐蝕性空氣中的壽命。另一種情況，如果替換後的新皮帶的壽命比以前的皮帶低，也要仔細檢查下帶輪是否過度磨損。

帶輪跳動

皮帶運行在徑向跳動的帶輪系統中時，帶輪旋轉時皮帶的張緊力會周期性的升降。跳動的越厲害，最大張緊力就升的越高。受此影響，使齒底看起來像被碾碎一樣，如圖15。碾碎的帶體可能與在適度尺寸帶輪中而運行的皮帶張緊力過高所導致的現象相類似。而極端週期性的張力變化常常導致皮帶齒部撕裂或皮帶拉伸性斷裂。

帶輪往錐套上安裝，或在最小的帶輪光孔基礎上進行再擴孔後安裝時，往往容易發生跳動。如何按照標准進行安裝，以及如何確保軸孔的配合，在蓋茨的相關設計手冊中有詳細的說明。

腐蝕空氣

皮帶運行在腐蝕性空氣的應用領域時，比如翻砂攪拌機，鐵礦石加工設備，磷酸鹽採礦輸送設備，帶齒側面和皮帶齒底高度會磨損，磨損區域常常光亮。圖16 為在高腐蝕性環境中的保力強GT2 的磨損皮帶。在腐蝕空氣下帶輪通常磨損加快， 所以帶輪與皮帶應該一起更換。為了延長皮帶和帶輪的壽命，最好安裝個有潔淨空氣加壓的密封罩，防止腐蝕性的灰塵物體進入而污染。

高溫降解

當橡膠皮帶工作在高溫（高於85℃）較長一段時間後，橡膠成分會變硬，由於運轉時彎曲導致背部開裂。這些開裂處與齒的方向平行，並且常常發生在帶齒中間。如圖17。皮帶由於齒部剪切也會導致拉伸性斷裂。

耐高溫橡膠皮帶結構可用於這種要求高溫環境的應用中，這些特殊的皮帶結構提高了皮帶的使用壽命。

如果要了解特殊耐高溫結構皮帶在特殊的應用下是否能夠提高皮帶性能，請與蓋茨的銷售人員聯繫。

蓋茨保力強GT2 的皮帶，帶體材料屬於熱塑性聚氨酯材料（有熔點）。當溫度超過85℃時，帶齒可能會變軟並且變形。此外，芯線也會完全喪失對帶體的支撐能力。圖18 是暴露在高溫條件下的保力強GT2 的皮帶。

化學降解

橡膠皮帶在揮發性有機溶劑和臭氧的環境下的失效與在高溫環境下的失效情況類似。橡膠成分會變硬，皮帶會呈現背部開裂。但開裂的形式不太一致，因為橡膠結構的硬化幾乎發生在皮帶錶面，而這可能導致皮帶縱橫向的開裂，各種各樣的形狀都有可能產生。

異物進入

異物進入帶輪和皮帶之間時，對帶齒和芯線都會造成損壞。芯線通常在內部斷裂（圖19 所示） 或不久後由於過度彎曲而失效（圖20 所示）。部分皮帶芯線斷裂後，整根皮帶的拉伸強度就會大幅度下降。這也導致皮帶壽命顯著地下降。如果發現皮帶已損壞，應該更換皮帶，並對帶輪進行檢查，如果發現受損的帶輪，也應該及時更換。