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从节能减排角度看我国传动带产品结构升级的重要性

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内容提示: 2011 年第6 期 《 现代橡胶工程》 7 从节能减排角度看我国传动带产品结构升级的重要性 吴贻珍 ( 无锡市贝尔特胶带有限公司21 4037) 1 前带传动是机械传动的主要传动形式之一, 国 内外的一般工业机械中, 电动机与工作机构间用 带传动作为主要动力传动形式的达到30%。 我国每年生产各种传动带产量高达 21 亿 A 米( 其中出口量约 2 亿 A 米 ) , 其品种主要 以包布 式普通 V 带为主, 约占传动带产量的80%以上, 每 年全国需消耗掉约 15 亿 A 米普通 V 带, 而普通 V 带的传 动效率 一般 只有 85% 一92%, 最 高为 95%。面对如此大的能量损失, 如果能使 V 带传 动效率提...

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2011 年第6 期 《 现代橡胶工程》 7 从节能减排角度看我国传动带产品结构升级的重要性 吴贻珍 ( 无锡市贝尔特胶带有限公司21 4037) 1 前带传动是机械传动的主要传动形式之一, 国 内外的一般工业机械中, 电动机与工作机构间用 带传动作为主要动力传动形式的达到30%。 我国每年生产各种传动带产量高达 21 亿 A 米( 其中出口量约 2 亿 A 米 ) , 其品种主要 以包布 式普通 V 带为主, 约占传动带产量的80%以上, 每 年全国需消耗掉约 15 亿 A 米普通 V 带, 而普通 V 带的传 动效率 一般 只有 85% 一92%, 最 高为 95%。面对如此大的能量损失, 如果能使 V 带传 动效率提高一个百分点, 即能量损失降低一个百 分点, 对一根或一组 V 带来说, 意义虽然不大, 但 对一个工厂、 一个地区乃至一个国家, 节约下来的 能源将是非常可观的。如按 l5 亿 A 米计, 折合平 均长度为2 米的 B 型 V 带, 则有4. 4 亿条、 每条 B 型带平均传动功率 3kW , 平均负荷 75%, 每条消耗 功率为 2. 25kW、 每年平均使用 2000h, 则消耗能量 19800 亿 kWh, 如平均能提高效率 5% , 则 每年可 节约 990 亿 kWh, 超过三峡和葛洲坝全年 的发 电 量( 三峡——葛洲坝梯级电站 2009 年共完成发电 量960. 96 亿 kW h ) , 也相当于减少近 1 亿吨的二 氧化碳排放量。因此, 研究并提高带传动的传动 效率对节能减排意义重大。 另一方面,传动带的传动效率是考核传动带 性能的重要指标 ,不仅能够节能,而且对传动过 程中带体内部和环境的温升有很大关系。传动过 程所消耗的能量大部分 以热能形式散发出去,或 在带体内部积 累。一般认 为,带体每温升 10℃, 带的使用寿命要降低一半。事实证明,传动效率 高的带, 其使用寿命也长。这在客观上也起到了 言 作者简介:吴贻珍,男,无锡市贝尔特胶带有限 公 司技术 副总。 降耗减排和降低使用成本的作用。 22。 1影响带传动效率的理论分析 带传动效率 T 1 带传动效率 输入功率(P ) 之比, 即: 一般定义为: 输出功率(P。 ) 与 ) = x 100% ( 1) 因为转动系统中的功率是转矩 函数, 即有 P 胁 × / 7 , )= 研究带传动的效率, 式(3)更适用。当探讨带 传动的能量消耗时, 必须考虑传动在转矩和速度 两方面的损耗。对于啮合带传动( 同步带) 转速 n = n。 , 只与转矩 损耗有关; 而摩擦传动带存在 弹性滑动和打滑 , 则将 引起速度损失。弹性滑动 是 由于带工作时在带轮两边的拉力差及其相应 的 变形差所形成。从动轮的主动边 ( 退出边) 比从动 边 ( 进入边) 产生了微量伸长和变窄, 导致从动轴 的丢转, 低于没有弹性滑动时的转速。弹性滑动 与载荷、 速度、 带轮直径和带的结构有关, 在保养 较差的三角皮带传动装置中打滑更严重。蠕动也 可降低被动轮的转速 ,由于皮带从松边转到紧边 时长度略有增加 ,当皮带离开被动轮槽进入主动 轮槽时变得长些且窄些。这便 引起皮带沿轮槽 的 蠕动, 从而降低了被动轮的转速。 弹性滑动是摩擦带传动固有的特性,其弹性 滑差率 ( = 1 一 n眦 / nf)%: V带传动 一般为 1% 和转速 7 7 ,的 (2) (3 ) 鲁 % 一2%,多楔带、平带传动一般小于 1%左右。 2. 2带传动的各种功率损耗 带传动中的功率损失有以下几类。 (1) 带的滑动摩擦损耗 hP,(kW ) 包在带轮上的带体,其张力由紧边张力 , 8 《 现代橡胶工程》 2011 年第6 期 逐渐过渡到松边张力 化来传递动力。 由于带的伸缩, 带与带轮之间必然 产生滑动, 因这种滑动而产生的功率损失为:, 带就是靠这种张力的变 △ : ( 4) 式(4) 中: = — —— 有效张力, N; 带速, m / s; 弹性模量 ,MPa; A—— 带的截面积 , n'l 。 从上式可以看出, 滑动摩擦损耗与摩擦系数无 关, 并且纵向弹性模量高的带, 其滑动摩擦损耗小。 (2) 带的弯曲损耗 △ 带在带轮上弯曲产生的功率损失为 : APb = 百EA~h2n 卜( kW) (5) 式(5) 中: ^—— 带厚, m; 带轮半径, m。 式(5)表明, 带在带轮上弯曲产生的功率损失与 带轮半径成反比, 与带的厚度平方和转速成正比。 理论分析和实践证明, 带的弯曲损耗是带传动全部 损耗最主要的部分, 对于V 带甚至占6o%以上。 (3) 克服空气阻力的损耗 △ (kW) 带运行时克服空气阻力而损耗的动力( kW) 为: △P =4. 31 X 10 。 x A¨ X 俨 (4) 其他损耗 △P0 (kW) 其他损耗 △P0包括带的张力作用在轴上而产 一 一 一 ——( 6) 生的轴承摩擦损耗、带的楔人楔出、离心力、带 在轮槽中径向滑动、带的弹性伸缩、振动和带的 变形等损耗。 总的损耗 △P 为 A P: A P | + P b + P + P o 33. 1 不 同传动带的传动效率 窄 V 带 普通 V 带由于本身结构原因, 存在传动功率 和传动效率低等缺点。国外在上世纪 50 年代开 发了全新系列V 带产品——窄V 带, 如图1。窄V 带是在普通 V 带的基础上发展形成 的一种新型胶 带, 结构型式与普通 V 带很相似, 断面也呈倒梯 形, 高 与节线 宽度 的比为 0. 9, 大 于普通 V 带 的 0. 7, 因此能够增大工作面与轮槽的接触面积, 减 少带的横向变形, 能充分发挥强力层每根线绳的 作用, 因此提高传动能力和传动效率。窄 V 带 在 相同的小轮直径和线速的条件下 , 每根 窄 V 带 的 传动功率约为宽度基本相同的相应型号普通 V 带 的3 — 4 倍; 传动效率为 0. 90 — 0. 97, 比普通 V 带 高2% 一 5%; 线速度可达到40m/ s ~ 50m/ s, 比普 通 V 带高 15m / s; 当带的线速度相同时, 窄 V 带轮 的宽度可缩减 1/ 2 以上。目前普通 V 带在工业发 达国家已基本被淘汰, 并被窄 V 带和其他新型传 动带所取代。窄 V 带有公制 ( SPZ、 SPA、 SPB 和 SPC)和英制(3V 、 5V 和8V ) 两大系列。 窄 V 带节能应用研究实例。在油田生产中, 曾在大庆 I 一130 钻机上用截面尺寸相近的 8V 带代替原普通 E 型 V 带做了对比性实验。根据理 论计算,原钻机应选 27 根 E 型 V 带,但由于结 构上的限制,只好用增大初拉力和减少使用寿命 为代价来减少带的根数,因此钻机实际使用 18 根 E 型 V 带。而用 8V 带替换后,只需 I2 根即 可。结果表明:( 1) 单根窄V 带传递的功率较普 通 V 带高 1倍以上;(2) E 型普通V 带使用寿命 6000h,而改用联组窄 V 带的使用寿命达 15000h ~20000h; (3) 结构紧凑,所占空间由1. 23m2 降为0. 40m , 缩小了60%以上;(4) 经济效益 高,改用窄 V 带后,传动效率由0. 85 ~ 0. 92 增 加到0. 92 — 0. 97,提高了5% ~ 7%。 2011年第6 期 《 现代橡胶工程》 9 王瑞昭等通过在带传动试验台上模拟抽油机 的载荷、带速,分别测试了相同工况下普通带传 动和窄带传动 的效率。通过对 比,得出在 12 冲/ r a in 时, 5V 窄 V 带比 C 型普通 V 带的传动效率 高3. 6%,如图2 ; 在 6 冲/ min 时, 5V 带 比C 型 带的传动效率高3. 0%的结论。 图2率 E 和效率 T1关 系 窄 V 带和普通 V 带输入功率与滑动 谣 卜 耧 罨 迎 a- 酱通型(aE P) 3. 2切边 V 带 切边 V 带是在包布 V 带基础上发展起来 的, 其型号规格与包布 V 带相同。切边 V 带与包布 V 带相比具有传动效率高、传动功率大、寿命长、 节能效果明显和传动紧凑、可高速传动等优点。 切边 V 带结构特点是两侧面 (工作面) 无包布、 压缩胶掺有定向短纤维,强力层线绳采用特殊硬 化处理 的高强度化 学纤维 ( 一般是 聚酯纤维 ) 。 有齿形、平底和层合等结构形式 ,目前趋向于齿 形结构 ,如图 3。 切边 V 带尤其齿形切边 V 带柔性好、滞后损 失小。强力层采用经特别处理过的聚酯线绳,使 用时带子伸长小,可明显提高传动功率。相同规 格的切边 V 带 比包布 V 带传动效率可提高 3% 一 8% ,如图 4。 b一 层合型 (RE L) c一 齿型(REC) 图 3切 边 V 带示意图 __ 一 ● 一 t一 , 一一 r , / / / } / 产 r 1 [『 推 荐 盈 小 带 幸 l :直 径 6O 8O l o o l 2O l 40 带轮节径(r a m) I60 l 80 20 0 220 240 图 4切边 V 带与包布 V 带传动效率对 比 ▲ 一切边 V 带 XPZ ;△ 一切边 V 带 XPB; 口—包布 V 带 SPZ ;V —包 布 V 带 SPB 切边 V 带节能应用实例。表 l 为不同机械用 同规格同型号切边 V 带替代包布 V 带的节能对比 效果,试验结果表明其节能率达 3% ~ 6%。 3. 3同步带 同步带综合了带传动与链条传动、 齿轮传动的 诸多优点, 是一种传动比 精度高的传动带, 如图5 所 示。其传动原理是带上的凸齿与带轮上的齿槽强 制啮合而工作。即当主动带轮转动时能够依靠带 齿与带轮的依次啮合将运动与动力传给从动轮。 表 1 不同机械用同规格同型号切边 V 带替代包布 V 带的节能效果 10 《 现代橡胶工程》 2011年第6 期 图5同步带结构 因此, 传动中不存在滑差现象, 即主动轮和从动轮 线速度相同, 可实现 了主、 从动轮 的线速度 同步。 带轮角速度保持稳定, 不产生冲击。吸振性能好, 噪音小; 传动装置重量轻, 热量积累少, 强制啮合 不打滑,因此传动比较准确,可以获得 98%以上 的高效率;变速范围大,一般可达 10,最高线速 度可达 50m/ s;功率范围可从几 瓦到几 百千瓦 ; 带的张紧力小,轴上的压力轻,轴的弯曲变形减 小,可延长轴承的使用寿命;结构简单、紧凑, 适宜于多轴传动及中心距较大的传动。 同步带由于兼有带传动、链传动和齿轮传动 的一些优点,因而当两轴中心距较大,要求速比 恒定,机械周围不允许润滑油污染,要求运转平 稳无噪声,使用维护方便时,同步带传动往往是 最为理想的传动方式。实验室与现场实验表明, 将V 带传动改为同步带传动可平均提高效率5%, 如图 6所示。 同步带节能应用实例。 采暖通风空调 ( HVAC) 是耗能大户 ,在公 表2普通 V 带和同步带节能对比 l 0O 9 0 翥s 。 蔓7 o 6O 50 同步带 98%- 99% 输入 功率 图6同步带与 V 带传动效率对比 共建筑中大约有 50% 一 60%消耗于采暖通风与空 调 ( 含冷热源) 系统。HVAC 传动系统包括风 机、泵和压缩机等,这些传动许多使用带传动。 如将同步带替代 V 带,以一台用于风机的 100 马 力的 电机,平 均 负荷 率 为 75%,一 年 消 耗 527000kWh,如用同步带消耗 500112kWh,节约 26. 888kWh,节电率 5%。 表 2 为普通 V 带和同步带实际应用节能对 比。 带类 普通V 带 同步带 机器: 西洛格风扇 (多叶片风扇) ;电机:15kW, 1470r/ r ain;条件:风量 4003/ r ain,静/ ~ . 70m m Hg 2011 年第6 期 《 现代橡胶工程》 3. 4片基平带 带传动经历了由普通平带向V 带发展的过程, 由于化纤工业的发展和高摩擦系数材料的开发, 带 传动又出现了采用平带的发展动向。平带的代表 型式是片基平带(又称高强平带、 节能平带、 复合平 带等) 。片基平带 由聚酰胺 ( 尼龙 ) 材料制成片基 作芯体骨架层, 采用布层和橡胶层在特殊工艺条 件下多层复合而成 , 也有少量片基平带是 由片基 芯层与皮革表层复合制成。如图 7 所示。 橡 胶 ( N【 {R ) 图 7片基平带结构 片基平带与 V 带相 比, 无论是在材料性质还 是外观结构上都有其显著特点 : ( 1) 作为骨架材料 的片基强度大 , 伸长率小,弹性模量( E) 极高。E 表 3片基平带在不 同机械传动 的节能效果 值是普通 V 带纤维骨架 E 值的 3 ~ 5 倍 , 能承受很 大的拉伸应力, 具有极小的伸长变化, 富有弹性; ( 2) 片基的机械强度大 , 带体可 以做得很薄 , 而机 械强度 很 高。一 般 片基 平 带 总厚 度 在 Imm 一 5m m。例如实际使用中取代 C 型和D 型V 带传动 的片基平带规格其厚度一般为 3mm 一 3. 5mm,厚 度仅是 V 带厚度的 1/ 4 —1/ 5,等截面积的拉伸强 度是 V 带的5 倍 以上 。因此片基平带外观轻薄柔 软,刚柔结合,能承受持久运行过程中的弯曲疲 劳、拉伸、冲击、磨损而极少蠕变。具有强度 高、耗电少、结构致密、表面耐磨、曲挠性能 好、传递效 率高、使用方便 等特点。可传递 0. 1kW 一 3700kW 的动力,传速效率达 98%,传 动速 比可选 1:20,带速一般 可达 50m/ s,最高 可达 1 00m/ s。在运转时能克服 V 带所造成的弯曲 和滑动带来的能量损失,使动力损耗降低,传动 效率提高,从而达到节约能源的效果,如图 8。 各类机器的传动在使用片基平带传动后,一般具 有节电 6% ~ l 1%的节能效果 ,如表 3 注 :1/ 60 克粗纱 ,1900 米;2/ 105kg;3/ 0. 7MPa;4/ 1000m。 3. 5多楔带 多楔带集平带柔性好和 V 带传动功率大的优 点于一体, 是一种极有发展前途的新颖传动带, 其 结构以平带为基体 , 内表面排布有等距纵 向楔 的 环形传动带 , 如图 9。具有传动功率大、 受力均匀 合理、 传动比高、 高速小轮径、 可反向多轮传动等 优点 , 得到迅速发展。尤其是汽车多楔带 , 进入 90 年代国外已基本使用这种带作为汽车发动机前端 附件传动轮系驱动用带。其传动效率最高可达 98%。相对于 V 带: (1)离心力和弯曲引起的损失 降低, 提高了效率; (2)低伸长保证了较小的弹性 滑动, 降低了因弹性滑动引起的功率损失; (3) 传 递速度高 , 提高了效率。 在带传动中所损失的能 图8相同工况下普通 V 带与片基平带对比试验 量, 弯曲和滑动引起的能量损失最大, 多楔带的合 理结构, 较好地使这两者趋于最小值, 所以它成为 效率最高的摩擦型传动带之一, 如图9、 图1O所示。 多楔带有 PH、PJ 、PK 、PL 和PM 五种型号, (下转第6 页) 6 《 现代橡胶工程》 2011年第6 期 赁、应急周转资金等融资新方法、新模式。 4. 2. 2搭建橡胶行业 中小企业与科研院所接触 和对接平台 浙江省橡胶行业的大部分中小企业发展的历 史比较短 , 科研能力积累尚需时间, 甚至一部分微 小橡胶企业根本就没有研发能力 , 这些企业往往要 借助高校和研究院所的科研能力。目前高校和研 究院所的科研没有和企业的需求实现有效的对接。 在现实中, 大部分高等院校和一些科研院所只埋头 在象牙塔里做研究, 只热衷于向国家要到科研项目 基金, 却与市场和企业需求脱节, 往往不知道企业 需要什么, 造成科研成果不实用的现象。建议政 府联合协会搭建企业和科研院所之间的对接平 台, 提高中小企业的创新能力和抗风 险能力 , 对高 校科研项 目经费的走向要有追溯和问责机制。 4. 2. 3加强产业政策引导 。促进行业有序发展 建议政府和有关部门在发展橡胶产业的同 时, 要加强指导和调控,充分发挥政府组织、协 调、服务功能和资源配置作用 ,引导和推动企业 开展多种形式的合作与竞争,加快企业间的联合 重组步伐,提高壮大橡胶行业中小企业 的发展能 力 ,建立科学的行业准人制度 ,规范行业的环保 标准、安全标准、能耗水耗标准和产品技术、质 量标准,防止低水平重复建设。支持鼓励企业采 用先进技术的生产线,扩建生产线的也必须达到 先进生产水平。对重点企业要帮助协调好生产要 素的供需矛盾,在信贷规模上给予倾斜。政府在 支持橡胶企业发展的同时 ,还要正确引导企业抱 团取暖和抱团升级,经受市场洗礼和锻炼, 并在 配置鼓励优惠政策上给予支持。 5结论 目前浙江省橡胶行业的中小企业正处在行业 转型升级的关键时刻 ,只有 “政企抱团” 、“ 行业 抱团” 、“ 内部抱团” 多方齐力挽狂澜 ,才能寻出 路,才能促进橡胶中小企业的健康发展。口 (上接第 11 页) 图9多楔带结构 图1O 多楔带与包布V 带传动效率对比 O—6PL 多楔带;V —sPB 包布 V 带 其中, PH、PJ 多用于家用 电器;PJ 、PL 和 PM 用于一般机械传动; PK 多用于汽车。 4结语 传动带是机械传动不可或缺的机械零件, 已广 泛应用于汽车、 机械、 纺织、 家电、 办公自动化(oa ) , 轻工、 农机等各个领域。其品种规格向多样性发 展, 由传统的普通包布 V 带和普通平带发展到了窄 V 带、 宽 V 带、 广角带、 联组 V 带、 切边 V 带、 多楔 带、 同步带、 绳芯平带和片基平带等新型结构传动 带。这些新型传动带无论是传动功能、 使用寿命 和可靠性, 还是传动效率和节能效果都比传统的 普通包布 V 带和普通平带有很大的提高。 我国新型传动带生产通过多年来的引进、消 化、吸收和 自行开发 ,已有长足 的进步 。这些新 型传动带大多都有生产,但市场应用普及率远远 落后于发达国家,个中原因有很多,如新型传动 带质量良 莠不齐、没有形成产业规模、推广应用 力度不足和用户使用积极性不高等诸多因素。因 此,加快和积极推广使用新型传动带,不仅对传 动带企业的技术进步、产品结构的升级换代乃至 企业的可持续发展至关重要 ,而且也可为 国家节 能减排做贡献。口

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