一種非摩擦驅動螺旋帶式輸送的作用原理和運動分析

金拯

（紹興高金冷凍空調設備有限公司，浙江 上虞312300）

螺旋帶式輸送是指輸送帶以螺旋狀的運動對所載的物品進行輸送。輸送帶通常是由金屬或塑料制成的可以伸縮的網狀或板條狀的帶子，其帶面圍繞圓心作圓周的盤升或盤降運動。為使輸送平穩(wěn)運行，輸送帶下面通常托有軌道。拖動輸送帶或者是通過繞圓心（中心軸線）轉動的轉筒驅動輸送帶的側邊都可以使輸送帶在螺旋形的軌道上運動，其中，轉筒驅動輸送帶又可分為摩擦驅動和非摩擦驅動二種方式。本文提出一種非摩擦驅動的螺旋帶式輸送并進行分析。

1 螺旋帶式輸送概述

螺旋帶式輸送常作為輸送過程中的一部分，在整個輸送過程中輸送帶一般還包含有直線運動的部分。圖1所示是一種轉筒驅動輸送帶的機構和流程示意圖，把輸送帶組成一個封閉的回路，以便可以周而復始地循環(huán)運行，電動機6使轉筒3轉動，轉筒3帶動輸送帶1在軌道2上作螺旋運動，以實現(xiàn)所載物品的輸送。輸送帶層層盤繞在轉筒外，在轉筒的周圍空間中可以容納較多的物品并且在該空間中有序地通過，同時也方便對輸送物品進行某種集中的加工或處理，所以，相對而言對于相同的加工處理能力，螺旋帶式輸送裝置往往可以獲得更小的體積和占地面積，這是普通的直線帶式輸送和加工處理所無法比擬的。因此，螺旋帶式輸送很適合于一些需要對物品進行連續(xù)的加工處理而加工處理的時間可以通過運行速度進行調節(jié)和控制的裝置，如速凍、冷卻、通風、解凍、干燥、加熱、烘烤、蒸煮、熏制、噴淋、清潔、檢驗、檢測、消毒或殺菌等的場合。

圖1 機構和流程示意圖

2 摩擦驅動的螺旋帶式輸送和螺旋速凍機概述

摩擦驅動的螺旋帶式輸送的原理是輸送帶沿螺旋形軌道纏繞在轉筒上，使帶子外邊受拉，內邊受壓，轉筒轉動并借助摩擦帶動帶子沿螺旋軌道上升[1~2]或下降。摩擦驅動的螺旋帶式輸送常應用于食品凍結裝置。螺旋速凍機（裝置）發(fā)展始于上世紀70年代初，目前仍然是一種先進的帶式冷凍設備，根據對國內外一些品牌的產品了解以及有關樣本和文獻的介紹，除了堆積式螺旋速凍裝置外，一般都采用摩擦驅動的原理[1~5]，并配有一定的運行保護裝置。

圖2是目前一種常見的摩擦驅動的螺旋速凍裝置內部的局部結構，輸送帶是由不銹鋼絲制成的網狀的帶，網帶中橫串間隔排列的串軸，每根串軸的二端分別與網帶二側的鏈條（也稱馬蹄）焊接，并在鏈條的外側形成壓頭和焊點，焊點使壓頭和串軸一起焊接在鏈條的鏈板上形成一個直徑略大于串軸直徑的半球頭（參見圖5中的14），輸送帶二側的形狀一樣，該半球頭沿輸送帶面的方向上帶有焊點的形狀，半球頭和焊點的表面弧形至鏈板形成光滑的弧形表面。為了避免輸送帶在運動時其邊緣與轉筒產生摩擦刮傷，采用自動化高周波成型，并對所有的焊接壓頭表面進行打磨，以保持邊緣平整光滑，在轉筒的外表面上往往還覆蓋尼龍以改善與輸送帶邊緣之間的接觸和摩擦。

圖2螺旋速凍裝置局部結構

圖3 是摩擦驅動的螺旋帶式輸送作螺旋運動時的示意圖，轉筒3a外固定有間隔排列的豎直條8a，豎直條的表面覆蓋有尼龍。轉筒轉動帶動輸送帶1a作圓周運動，速度是ν1；同時，輸送帶的高度隨著下面軌道高度的變化而變化，其速度是ν2，ν1和ν2合成為螺旋運動的速度ν。問題是轉筒的帶動是使輸送帶作圓周運動，即ν1，而不是螺旋運動ν，由于輸送帶1a纏繞在轉筒上使其包括串軸的端部18a在內的側邊緊迫在轉筒的外表面即豎直條8a上，所以輸送帶的垂直方向上的運動ν2受到其側邊和豎直條8a之間的摩擦力的阻礙；另一個問題是輸送帶是以狹窄的側邊緊迫在轉筒豎直條的壁面上，產生正壓力，由此在纏繞著的輸送帶的內部存在應力，如果輸送帶的側邊被壁面抵住不能夠自由移動則很容易形成支點，應力極易產生力矩使輸送帶失穩(wěn)，引發(fā)翻帶的事故。

圖3 螺旋運動示意圖

因此，從原理上分析，摩擦驅動的螺旋帶式輸送在垂直方向上的運動有阻力，輸送帶的內部存在應力且容易失穩(wěn)。所以，裝置的設計在體積、轉速、輸送帶寬度、傾角和曲率半徑等參數的選擇上有一定的限制，其結構和操作相應也較為復雜，造價較高，制約了螺旋帶式輸送的應用。文獻[5]中認為輸送帶和轉筒之間產生很大的摩擦，該摩擦使得應力增加，并提出減少應力的辦法，但是所提結構過于復雜。

3 非摩擦驅動螺旋帶式輸送概述

如圖4所示是局部機構示意圖，輸送帶1放置在軌道2上，其內側邊挨著轉筒3，內側邊上有伸出的軸（以下簡稱伸出軸）18，可伸入到轉筒3上的凹槽9中組成配合。伸出軸在凹槽的驅動下隨轉筒一起轉動并帶動輸送帶運動，同時又隨著輸送帶沿著軌道的升降在凹槽中滑動。輸送帶可以是如圖4中所示的網狀的帶子，也可以是其它種類的帶子，在網狀的帶子中，可以把輸送帶中的串軸11的一端延長來作為伸出軸。輸送帶無需緊迫在轉筒上依靠摩擦得到動力，屬于是一種非摩擦驅動的螺旋帶式輸送。

圖4 （局部）機構原理圖

3.1 輸送帶的結構特征

（1）輸送帶的內側邊上間隔一定的距離上伸出一小段的軸18，即伸出軸，可以進入轉筒上的凹槽9形成配合。在軸上還可以設有軸套19，有助于減少軸18在凹槽中運動時的摩擦，如圖5所示。

（2）輸送帶的側邊如果帶有鏈條10和12，或可以采用如圖5的結構形式。該鏈條由可以相互嵌套的鏈條組件15、16和17連接而成。鏈條組件15和17分別可以向鏈條組件16伸縮靠攏，設鏈條組件15、16和17具有相同的節(jié)距，當被拉開的三個節(jié)距的鏈條組件經過相互靠攏后，理論上接近于一個節(jié)距，即伸縮比趨向于3：1，由此，輸送帶在彎曲時可達到更小的曲率半徑，從而可使設備的占地面積更小。

圖5 一種輸送帶

3.2 轉筒的結構特征

（1）如圖6所示是一種轉筒的主視圖，轉筒是一個筒狀物，在其外表面上設有沿圓周間隔布置的凹槽9。凹槽9可以是由相距較近的二個豎直條8組成。

（2）如圖6所示，在凹槽9的進口處設有可使伸出軸18順利進入的過渡區(qū)22，可稱為“擒軸區(qū)”。該擒軸區(qū)的凹槽的一邊或二邊可以是傾斜的（如圖6中的23）或弧形狀的。凹槽可分為擒軸區(qū)段（AB段）和狹長段（BC段）。

圖6一種轉筒

3.3 作用原理和運動分析

圖7 是轉筒邊上的局部橫截面的示意圖，當轉筒3轉動時，由豎直條8組成的凹槽驅動在其中的伸出軸18并帶動輸送帶運動。運動中伸出軸18和凹槽通常會有2個接觸點，即接觸點41和接觸點42。凹槽通過接觸點41和42把伸出軸18“夾持”住并傳遞動力。非摩擦驅動螺旋帶式輸送的傳動比較直接，輸送帶和凹槽（即轉筒）之間的能量損失也是比較少。轉筒驅動的螺旋帶式輸送的動力一般情況下是按照轉筒、輸送帶的內側、輸送帶和外側的次序傳遞的。由于輸送帶上荷載、輸送帶和軌道之間的摩擦阻力等因素的影響，使輸送帶外側的運動滯后于內側的運動，而輸送帶又滯后于轉筒，但是非摩擦驅動螺旋帶式輸送可以使帶的各點的運動隨轉筒保持同步轉動，因此可以確保輸送帶可靠地運行。

圖7 接觸點示意圖

在轉筒的進口處輸送帶由直線運動進入螺旋運動狀態(tài)。由于在直線運動時輸送帶二側的速度是一致的，內側上伸出軸之間的距離處于最大值，所以當進入螺旋運動時，在軌道的引導和輸送帶的牽引下內側上伸出軸的間距逐漸縮小而外側的串軸的間距不變，使輸送帶逐漸彎曲成圓弧形，直到輸送帶的曲率符合要求。伸出軸逐漸進入凹槽的“擒軸區(qū)”，并且在“擒軸區(qū)”（如圖6中AB段）中受凹槽側邊的壓迫還可以不斷地被整形。然后，伸出軸進入凹槽的狹長段（如圖6中BC段）并受到凹槽的驅動。當通過狹長段后到達轉筒的出口處，伸出軸滑出凹槽，輸送帶的內側被拉開，輸送帶離開轉筒，恢復直線運動。伸出軸在離開轉筒前也可以先在凹槽中通過一個區(qū)域，使輸送帶的內側慢慢地打開，這個區(qū)域可稱為“縱軸區(qū)”。凹槽驅動伸出軸隨轉筒一起轉動，同時伸出軸在凹槽中垂直移動，從而使輸送帶沿著軌道作螺旋運動。

4 翻帶機理初探

通常在螺旋速凍機中所見的是以摩擦方式驅動的螺旋帶式輸送。在繞轉筒的周向和沿轉筒的軸向，均在輸送帶和轉筒之間產生很大的摩擦并使得應力增加[5]。帶的內側很容易被束縛住成為支點，當遇誘因激發(fā)時，在應力的作用下，外側向內側發(fā)生翻轉的現(xiàn)象，常稱作螺旋速凍機的“翻帶”，帶速不均勻或運行中局部的跳動等都有可能成為誘因。實際運行中的翻帶事故往往是難以預料的，后果也較為嚴重，輕則停產檢查，重則損毀裝置，目前多采用限位開關進行報警并停機。

避免翻帶發(fā)生的關鍵是化解應力和消除力矩，建議是否可以從三方面來考慮：

一是，減少應力；

二是，改良結構，改善支點和避免誘因的產生；

三是，產生反制翻帶的力矩。

以下試分析本文所述的一種非摩擦驅動螺旋帶式輸送的受力情況，圖8是轉筒邊上的局部縱截面的示意圖。假設某處處于水平位置的輸送帶所受向上的合力為F，且在力F的作用下以帶的內側D點為支點欲向上翻轉（翻帶），則力矩M=F×L，在接觸點E上同時會產生摩擦力f以阻止翻帶，摩擦力矩是m=f×R，設法增加m的數值可以避免或壓制翻帶的發(fā)生，式中L和R分別是F和f的作用點到支點間的距離。

圖8 受力分析

翻帶現(xiàn)象是在輸送帶失穩(wěn)且支點對輸送帶有約束的情況下發(fā)生，圖中T是支點處的摩擦力，這時的力F與輸送帶中的應力有很大的關系。力F是輸送帶所受內在的應力P、自身的重力和貨物的壓力等的合力在輸送帶法線上的分量，F(xiàn)與P正相關，且隨著輸送帶翻轉過程中與水平的夾角的增大而增大。關于翻帶，非摩擦驅動的螺旋帶式的輸送具有以下的特點：

（1）輸送帶不是緊迫于轉筒，因此P和F很小，難以具有翻帶的動力；

（2）有壓制翻帶的摩擦力矩產生；

（3）伸出軸在凹槽中可以滑動，支點相對較難產生；

（4）轉筒和伸出軸的接觸是光滑和連續(xù)的，所以激發(fā)翻帶的誘因較少。

5 結束語

通過上述分析，我們得出以下結論：

（1）輸送帶上設伸出軸并被“夾持”能夠確保輸送帶上的各處隨轉筒同步轉動；在轉筒上設“擒軸區(qū)”可保障伸出軸順利地被“夾持”。

（2）轉筒和輸送帶內在的應力較小，伸出軸在凹槽中可以滑動，有一定的自由度，翻帶的可能性明顯小于摩擦驅動的螺旋帶式輸送；轉筒和輸送帶之間的摩擦阻力小并且是非摩擦驅動，所以螺旋運動可靠平穩(wěn)。

（3）可使結構簡化，操作難度降低，利于拓寬設計參數的選擇范圍，便于螺旋帶式輸送應用于更廣的領域。

（4）以“夾持”的方式傳遞動力優(yōu)于摩擦驅動，能量損失小，有利于節(jié)能。

[1]曲志強.淺談螺旋帶式速凍裝置（一）[J].中國水產，1991（4）：38.

[2]曲志強.淺談螺旋帶式速凍裝置（二）[J].中國水產，1991（5）：38.

[3]紀家笙，黃志斌，楊運華，等.水產品工業(yè)手冊[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，1999.

[4]張國治.中國烘焙食品大辭典機械及器具分冊[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2007.

[5]弗里戈斯堪迪亞設備公司.輸送帶[P].中國專利：97193764.8，1999.