Wraz ze wzrostem popularności przenośników

Transkrypt

1 Badanie wpływu przyspieszonego starzenia cieplnego taśmy przenośnikowej na jej wytrzymałość Study of the effect of conveyor belt accelerated heat aging on its strength Mirosław Bajda, Marlena Pogoda W artykule przedstawiono wpływ czasu starzenia cieplnego na wytrzymałość taśm przenośnikowych tkaninowo-gumowych wieloprzekładkowych typu EP 1000/3, zarówno przed, jak i po 4-krotnym przyspieszonym starzeniu cieplnym. Starzenie cieplne przeprowadzono w czterech cyklach każdy po 7 dni. Omówiono wyniki badań. Wraz ze wzrostem popularności przenośników taśmowych oraz stale rosnącą długością zainstalowanych przenośników, zwiększyło się zainteresowanie problematyką transportu taśmowego. Obecnie przenośnikom taśmowym stawiane są coraz większe wymagania dotyczące trwałości, wytrzymałości i niezawodności ich podzespołów. Szczególną uwagę poświęca się najbardziej narażonej na uszkodzenia taśmie przenośnikowej. W największym stopniu dotyczą jej uszkodzenia eksploatacyjne, tj. przecięcia wzdłużne i poprzeczne, przebicia oraz rozdarcia [3, 4, 6]. Negatywne działanie na taśmę mają również warunki klimatyczne oraz czas eksploatacji. Oba te czynniki wpływają na proces starzenia się taśmy, a co za tym idzie przyspieszają jej zużycie, które z kolei znacząco wpływa na obniżenie parametrów wytrzymałościowych taśmy [1]. W związku z powyższym nasuwa się pytanie odnośnie do wielkości wpływu starzenia na wytrzymałość taśmy. Zagadnieniu temu poświęcono niniejszy artykuł. Celem przeprowadzonych badań jest analiza wpływu czasu starzenia cieplnego na wytrzymałość taśmy [10]. Próbki taśm zarówno przed, jak i po kolejnych cyklach starzenia poddane zostały badaniu wytrzymałości na rozciąganie zgodnie z metodą opisaną w normie PN-EN ISO 283 [7]. Obiekt badań Przedmiotem badań były dwie taśmy tkaninowo-gumowe wieloprzekładkowe z trzema przekładkami poliestrowo- -poliamidowymi typu EP 1000/3. W kierunku wzdłużnym zastosowanym materiałem tekstylnym rdzenia był poliester, zaś w kierunku poprzecznym poliamid. Minimalna wytrzymałość taśmy na rozciąganie zgodnie z PN-EN ISO [8] wynosi 1000 kn/m. Obie taśmy należą do grupy taśm trudnopalnych, z przeznaczeniem do stosowania w podziemnych kopalniach węgla kamiennego. Mogą być użytkowane w warunkach podziemnych ze względu na to, że spełniają wymogi dotyczące bezpieczeństwa przeciwpożarowego. Badane taśmy miały ten sam rdzeń, różniły się natomiast klasą gum okładkowych: L oraz V. Zgodnie z normą [8] okładka gumowa w klasie L charakteryzuje się minimalną wytrzymałością na rozciąganie równą 15 N/mm 2 oraz minimalnym wydłużeniem przy zerwaniu wynoszącym 350%. W przypadku gumy w klasie V minimalna wytrzymałość na rozciąganie powinna wynosić 17 N/mm 2, zaś minimalne wydłużenie przy zerwaniu 350%. Grubość całkowitą, okładek nośnej i bieżnej badanych taśm zestawiono w tabeli 1. Symbol taśmy całkowita Grubość, mm okładki nośnej Tabela 1 Zestawienie grubości taśm typu EP 100/3 L oraz typu EP 100/3 V W tabeli 2 podano wyniki badań parametrów fizykomechanicznych taśm, które zostały wykonane w Laboratorium Transportu Taśmowego (LTT) Politechniki Wrocławskiej. Badania laboratoryjne okładki bieżnej EP 1000/3 L 12,8-13,1 4,5 2,5 EP 1000/3 V 12,3-12,6 4,0 3,0 Przyspieszone starzenie cieplne to proces, który najczęściej przeprowadzany jest w celu szacunkowego ustalenia odporności gumy zarówno okładkowej, jak i rdzeniowej (taśmy z linkami stalowymi) na pogorszenie się jej parametrów wytrzymałościowych w wyniku upływu czasu. Innymi słowy jest to symulacja starzenia naturalnego w skróconym czasie. Badanie przyspieszonego starzenia polega na kontrolowanym poddaniu próbek działaniu czynników niszczących, tj. powietrza o ciśnieniu atmosferycznym o zwiększonej temperaturze (PN-EN ISO 188) [9]. Starzenie cieplne próbek taśm wykonane zostało w ustalonych przedziałach czasowych, wynoszących odpowiednio 7, 14, 21 i 28 dni, i polegało na umieszczeniu w ogrzanej komorze grzewczej do temperatury 70 C próbek taśm do badań. Wygrzewanie przeprowadzono w tr ybie ciągł ym, bez otwierania komory. Takie działanie ma na celu pogorszenie 16 Transport 1(31)/2016

2 Rozwarstwienie taśmy, N/mm Guma okładkowa Klasa gumy okładkowej minimalna wytrzymałość adhezyjna średnia wytrzymałość adhezyjna O-P P-P O-P P-P twardość o ShA Ścieralność mm 3 wydłużenie % wytrz. na zerwanie MPa L 6,2 8,9 7,0 9, ,5 V 7,3 8,8 7,6 9, ,3 O okładka, P przekładka Tabela 2 Parametry fizykomechaniczne taśm typu EP1000/3 właściwości fizykomechanicznych badanych próbek. Nie oddaje to w pełni zmian, które zachodzą w trakcie procesu naturalnego starzenia taśmy, ale jest wystarczające, aby określić ilościowo wielkość spadku wytrzymałości taśmy. Po zakończeniu wygrzewania próbki wyjęto z komory i poddano kondycjonowaniu w temperaturze otoczenia przez 2 dni. Porównano otrzymane wyniki badań wytrzymałości taśmy zarówno przed, jak i po starzeniu cieplnym, aby w ten sposób określić wpływ czasu starzenia cieplnego na wytrzymałość taśmy. Badanie wytrzymałości taśmy polega na rozciąganiu próbki taśmy przenośnikowej o całkowitej grubości, ze stałą prędkością, z użyciem maszyny wytrzymałościowej, aż do momentu jej zerwania. Do wykonania tego badania użyto maszyny wytrzymałościowej typu TIRA test (rys. 1), mającą hydrauliczne uchwyty zaciskowe do mocowania próbek. Urządzenie to może być również wykorzystywane do badań wytrzymałościowych przy obciążeniach rozciągających, ściskających i zginających dla metali, tworzyw sztucznych i elastomerów. Ma klasę dokładności 0,5. W skład wyposażenia wchodzą głowice pomiarowe siły do: 500 N, 1 kn, 10 kn i 100 kn oraz ekstensometr, który umożliwia zmierzenie wydłużenia próbki taśmy. Kształt i wymiary próbek do badań przedstawia rys. 2. Rys. 2 Próbka typu C; 1 linie odniesienia [7] W uchwytach maszyny wytrzymałościowej zamocowano symetrycznie badaną próbkę. Zgodnie z normą PN-EN ISO 283 [7] oś wzdłużna próbki, środkowa linia szczęk oraz linia działania siły odpowiedzialnej za rozciąganie powinny się pokrywać. Po zamocowaniu badanej próbki taśmę rozciągano bez przerwy, ze stałą prędkością wynoszącą 100 ± 10 mm/min aż do momentu zerwania się próbki. Wyniki W tabeli 3przedstawiono wyniki badań. Zawarte zostały w niej informacje dotyczące wartości siły rozciągającej, przy której doszło do zerwania próbki taśmy (N), szerokości próbek (mm), wytrzymałości na rozciąganie (N/mm) oraz wydłużenia względnego, odczytane dla siły odpowiadającej 10% wytrzymałości nominalnej taśmy (w %) każdej z badanych próbek zarówno przed jak i po kolejnym etapie starzenia [10]. Szacowanie niepewności oznaczania wytrzymałości na rozciąganie Rys. 1 Maszyna do badań wytrzymałościowych typu TIRA test [13] Badania zostały przeprowadzone w celu pozyskania wiarygodnych danych na temat wytrzymałości taśm. Ponieważ nie Transport 1(31)/

3 Typ taśmy Cykl starzenia (dni) Nr próbki Siła rozciągająca [N] Wytrzymałość na rozciąganie [N/mm] Wydłużenie względne przy 10% wytrzymałości nominalnej taśmy [%] Szerokość próbki [mm] ,5 1138,6 0,54 24,4 brak ,2 1190,9 0,58 24, ,3 1146,3 0,54 24,4 EP1000/3 [L] EP1000/3 [V] 1 (7 dni) 2 (14 dni) 3 (21 dni) 4 (28 dni) brak 1 (7 dni) 2 (14 dni) 3 (21 dni) 4 (28 dni) ,0 1071,6 0,00 24, ,7 1060,6 0,53 24, ,9 1114,4 0,49 24, ,4 1087,6 0,37 24, ,7 1060,5 0,59 24, ,9 1074,0 0,38 24, ,2 1079,5 0,54 24, ,7 1088,5 0,59 24, ,8 1062,4 0,47 24, ,5 1037,7 0,44 24, ,7 1108,4 0,50 24, ,3 988,4 0,56 24, ,0 1109,3 0,67 24, ,9 1136,1 0,56 24, ,2 1147,1 0,54 24, ,2 1162,9 0,43 24, ,1 1130,2 0,61 24, ,5 1055,5 0,42 24, ,9 1093,3 0,54 24, ,2 1079,9 0,53 24, ,6 1080,8 0,45 24, ,8 1049,5 0,00 24, ,5 1077,4 0,46 24, ,0 1018,2 0,50 24, ,7 1076,0 0,53 24, ,8 1061,7 0,57 24, ,7 1054,7 0,57 24,5 Tabela 3 Zestawienie wyników badań 18 Transport 1(31)/2016

4 istnieją pomiary nieobarczane błędem, ważnym elementem pracy badawczej jest znajomość niepewności pomiarów. Niepewność pomiarowa jest efektem błędów popełnianych na każdym etapie procesu badawczego, w tym przypadku pomiaru długości i grubości próbek taśmy, oraz siły, przy której następuje zerwanie próbki taśmy. Dlatego też, aby wyniki byłe wiarygodne i miarodajne, należy je skorygować o składową niepewności pomiaru [5, 12]. Przewodnik ISO [16] definiuje niepewność pomiarów w następujący sposób: Niepewność pomiaru to parametr związany z wynikiem pomiaru, charakteryzujący rozrzut wartości, który można w uzasadniony sposób przypisać wielkości mierzonej. Niepewność pomiaru jest obliczana metodami A lub B [2, 5]. Metodą A jest obliczana niepewność za pomocą analizy statystycznej serii obserwacji i jest w tym przypadku odchyleniem standardowym średniej wyników pomiarów. Metodę A stosuje się wtedy, gdy istnieje możliwość przeprowadzenia w identycznych warunkach wielu niezależnych pomiarów jednej wielkości wejściowej, a odpowiednia liczba stopni swobody przekracza 30 [11]. W metodzie A niepewność standardowa jest równa gdzie, średnia arytmetyczna: Metodę B stosuje się, gdy nie można wykorzystać analizy statystycznej serii pomiarów. Z taką sytuacją mamy do czynienia przy badaniach właściwości taśm przenośnikowych, gdzie znormalizowane metody badań przewidują stosowanie małej liczby próbek [7]. W metodzie B niepewność standardową wyznacza się na podstawie informacji o możliwym zakresie zmienności tej wielkości, biorąc pod uwagę między innymi: dane uzyskane ze świadectw wzorcowania; dane uzyskane na podstawie wcześniejszych pomiarów; specyfikację producenta; niepewności związane z danymi odniesienia; posiadane doświadczenie. Niepewność standardową złożoną u(y) oblicza się z następującej zależności [2] gdzie: współczynniki wrażliwości równe wartości pochodnych cząstkowych wyliczonych dla wartości średnich wielkości wejściowych, u(x i ) niepewności standardowe cząstkowe wielkości wejściowych, m liczba wielkości wejściowych. W tabeli 4 zestawiono dane, za pomocą których oszacowano niepewność pomiaru wytrzymałości na rozciąganie taśm w każdym cyklu starzenia. Obliczenia wykonano zgodnie z procedurą opisaną w instrukcji szacowania niepewności pomiaru [5, 14]. Cykl starzenia Szero- -kość próbki Współczynnik wrażliwości Składowe niepewności standardowej cząstkowej dla u(fm) Wartość niepewności standardowej Składowe niepewności standardowej złożonej Niepewność standardowa złożona Niepewność rozszerzona dla P=0,95 i k=2 bśr c FM c b u FM u masz u(fm) u(b) u FM (R) u b (R) u(r) U(R ) [-] [mm] [1/mm] [N/mm 2 ] [N] [N] [mm] [N/mm] [N/mm] [N/mm] 0 24,40 0,04-47,5 397, ,3-9,5 18,9 38 EP 1000/3 L 1 24,79 0,04-43,7 407, ,4-8,7 18, ,79 0,04-43,3 194, ,8-8,7 11, ,50 0,04-44,0 187, ,6-8,8 11, ,50 0,04-42,6 85, ,5-8,5 9, ,2 0 24,80 0,04-45,6 278, ,5-9,1 14,7 29 EP 1000/3 V 1 24,80 0,04-45,0 78,7 79 4,0-9,0 9, ,80 0,04-43,7 106, ,9-8,7 10, ,40 0,04-43,0 417, ,3-8,6 19,3 39 Tabela 4 Budżet niepewności 4 24,50 0,04-43,4 153, ,7-8,7 11,0 22 Transport 1(31)/

5 W tabeli 5 umieszczono wartości średniej wytrzymałości na rozciąganie taśmy w każdym cyklu starzenia wraz z przedziałami niepewności rozszerzonej. tywnie na wytrzymałość taśmy, powodując jej obniżenie. Spadek w y trzymałości taśmy w ystępuje podczas wszystkich cykli starzenia, przy czym największa jego wartość wystę- Typ taśmy Cykl starzenia Średnia wytrzymałość na rozciąganie; niepewność rozszerzona N/mm Brak 1158; ; 37 EP1000/3 L ; 23 EP1000/3 V ; ; 18 Brak 1131; ; ; ; ; 22 Rys. 3 Wytrzymałość taśmy typu EP1000/3 w zależności od czasu starzenia puje po 7 dniach starzenia i wynosi ok. 40 N/mm. Procentowy spadek wartości wytrzymałości taśmy na rozciąganie w kolejnych okresach starzenia pokazano na rys. 4. Tabela 5 Średnie wytrzymałości na rozciąganie badanych taśm wraz z niepewnością rozszerzoną Podana niepewność rozszerzona wynika z niepewności standardowej, pomnożonej przez współczynnik rozszerzenia k = 2, który dla rozkładu normalnego zapewnia poziom ufności w przybliżeniu 95% [12]. Na podstawie wyników można stwierdzić, że przedział niepewności rozszerzonej na poziomie ufności 95% nie przekracza 3,7% wytrzymałości taśmy. Analiza wyników badań Analizując otrzymane wyniki badań (tabela 3), można zauważyć, że wytrzymałości taśm w poszczególnych cyklach starzenia są do siebie zbliżone. Niewielkie różnice wytrzymałości pomiędzy badanymi taśmami wynikają z faktu, że mają one ten sam typ rdzenia, który w głównej mierze decyduje o wytrzymałości taśmy. Minimalny wpływ na wynik mogły mieć jedynie różnice w grubości próbek taśm. Wpływ klasy gumy okładkowej na wytrzymałość taśmy jest znikomy, ponieważ wytrzymałość na rozciąganie gumy stanowi zaledwie ok. 1~2% wytrzymałości na rozciąganie rdzenia taśmy. Dlatego zmiany wytrzymałości taśmy typu EP1000/3, wynikające z procesu starzenia cieplnego, przedstawiono za pomocą wykresu umieszczonego na rys. 3, sumarycznie dla taśm z okładkami w klasie L i V (są to wartości średnie ze średnich uzyskanych dla obu taśm w każdym cyklu starzenia). Zgodnie z normą [8] taśma typu EP 1000/3, niezależnie od klasy gumy okładkowej, powinna mieć minimalną wytrzymałość na rozciąganie równą 1000 N/mm. Przeprowadzone badania wykazały, że taśma spełnia te wymogi przez wszystkie cykle starzenia. Starzenie cieplne wpływa nega- Rys. 4 Procentowy spadek wytrzymałości taśmy typu EP1000/3 w zależności od czasu starzenia Po pier wszym cyklu starzenia (7-dniow ym) w y trzymałość taśmy na rozciąganie maleje o ok. 4%. Po kolejnym cyklu starzenia (14-dniowym) spada o ok. 6% w porównaniu z wartością przed starzeniem. Po kolejnych cyklach maleje odpowiednio o ok. 7% i 8%. Można zatem stwierdzić, że największy spadek wytrzymałości taśmy, występuje po 7 dniach starzenia cieplnego. Po 14 dniach starzenia dalsze spadki wytrzymałości taśmy na rozciąganie są niewielkie i wynoszą ok. 1%. Dodatkowym parametrem, który jest wyznaczany podczas wykonywania badania na rozciąganie taśmy jest wydłużenie względne taśmy, zmierzone dla siły odpowiadającej 10% jej wytrzymałości nominalnej. Pomiary zarejestrowano zarówno przed, jak i po 4 etapach starzenia. Wyniki przedstawiono na rys. 5. Wydłużenie względne zmierzone przy 10% jej wytrzymałości nominalnej, przeprowadzone zgodnie z normą PN-EN ISO 283 [7], nie powinno być większe niż 4,0%. Jak 20 Transport 1(31)/2016

6 widać na rys. 5 wartości wydłużenia w całym cyklu starzenia mieszczą się w przedziale od 0,45% do 0,55% dla taśmy typu EP1000/3 L oraz 0,48% do 0,59% dla taśmy typu EP1000/3 V. Wykres pokazuje, że taśmy nie różnią się w znaczący sposób wartościami wydłużenia, co świadczy o tym, że rdzeń taśm jest jednakowy dla obu taśm. Każdy z etapów starzenia cieplnego przyczynił się tylko w niewielkim stopniu do spadku wydłużenia wzglę- wnoszą pewną wiedzę o zmianach ich wytrzymałości. Dla przyjętych warunków badań, zmiany zarówno wytrzymałości taśmy, jak i jej wydłużenie względne nie osiągają granicy dyskwalifikującej taśmę. Analiza wyników przeprowadzonych badań wykazała, jak ważne jest, aby producenci taśm przenośnikowych wytwarzali swoje taśmy z zapasem wytrzymałości. Obie badane taśmy przeznaczone były do pracy w górnictwie podziemnym. Taśmy takie są w szczególności narażone na wysoką wilgotność oraz temperaturę powietrza, co przyspiesza proces starzenia. Produkcja taśmy o parametrach wyższych niż wymagane gwarantuje, że taśma pomimo niekorzystnych warunków pracy zachowa wytrzymałość wyższą niż wymagana, co znacznie wydłuży jej użyteczność. Abstract Rys. 5 Wykres średnich wartości wydłużenia względnego przy 10% wytrzymałości nominalnej przed i po starzeniu taśmy typu EP 1000/3 dnego w porównaniu z wartością przed starzeniem, jednak mimo negatywnego wpływu starzenia wydłużenie taśmy było niższe niż 3,5%. Można zatem stwierdzić, że starzenie cieplne nie ma znaczącego wpływu na wartość wydłużenia taśmy zarejestrowanego przy sile odpowiadającej jej 10% wytrzymałości nominalnej. Wnioski Analiza wyników badań wykazała, że czas przyspieszonego starzenia cieplnego ma negatywny wpływ na wytrzymałość taśmy przenośnikowej typu EP1000/3, obniżając jej wartość. Największy wpływ starzenia na wytrzymałość taśm miały dwa pierwsze cykle starzenia. Spadek wytrzymałości pomiędzy siódmym a czternastym dniem starzenia był prawie taki sam, jak pomiędzy czternastym a dwudziestym pierwszym dniem. Po ostatnim cyklu starzenia (28 dni) również zaobserwowano spadek wytrzymałości, jednak był on najmniejszy. Zmiany wartości wydłużenia względnego taśmy przy 10% jej wytrzymałości nominalnej były niewielkie. Można zatem przyjąć, że starzenie cieplne nie ma znaczącego na nie wpływu. Przeprowadzone badana wykazały, że pomimo spadku wytrzymałości na rozciąganie, który nastąpił w wyniku procesu starzenia cieplnego, taśmy nadal spełniały wymogi normy [8], gdyż ich wytrzymałość na rozciąganie nie spadła poniżej minimum wymaganego przez normę, czyli 1000 N/mm [15, 16]. Badane taśmy są przeznaczone dla górnictwa podziemnego. Nie ma wprawdzie odniesienia do rzeczywistych warunków eksploatacji taśm, jednak wyniki badań wytrzymałości taśm uzyskane w przyjętych warunkach badań The article shows the ef fects of heat aging on the strength of the rubber multiply conveyor textile belts EP 1000/3 before and after 4-cycles of accelerated heat aging. Heat aging was done in four cycles - each after 7 days. The results of the study were discussed. Literatura [1] Antoniak J.: Przenośniki taśmowe w górnictwie podziemnym i odkrywkowym, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [2] Arendarski J.: Niepewność pomiarów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa [3] Hardygóra M., Wachowicz J., Czaplicka-Kolarz K., Markusik S.: Taśmy przenośnikowe, Wydawnictwo Naukowo- -Techniczne, Warszawa [4] Hardygora M., Żur T.: Przenośniki taśmowe w górnictwie, Wydawnictwo Naukowe Śląsk, Katowice [5] Komander H., Bajda M.: Instrukcja szacowania niepewności pomiarów dokument wewnętrzny LTT, 2006, (niepublikowany). [6] Komander H., Hardygóra M., Bajda M., Komander G., Lewandowicz P.: Assessment methods of conveyor belts impact resistance to the dynamic action of a concentrated load, Eksploatacja i niezawodność Maintenance and Reliability, 2014, 16 (4), s [7] PN-EN ISO 283:2008. Taśmy przenośnikowe z rdzeniem tekstylnym. Wytrzymałość na rozciąganie taśmy o całkowitej grubości, wydłużenie przy zerwaniu oraz wydłużenie przy zadanym obciążeniu. Metoda badania. [8] PN-EN ISO 22721:2009. Taśmy przenośnikowe. Wymagania dotyczące taśm przenośnikowych z rdzeniem tekstylnym i okładkami gumowymi lub okładkami z tworzyw sztucznych, stosowanych w górnictwie podziemnym. [9] PN-EN ISO 188:2000. Guma lub kauczuk termoplastyczny. Badanie przyspieszonego starzenia i odporności na działanie ciepła. [10] Pogoda M.: Badanie wpływu starzenia taśmy przenośnikowej na jej wytrzymałość i wydłużenie, praca inżynierska, Politechnika Wrocławska, 2016, (niepublikowana). Transport 1(31)/

7 [11] Taylor J.R.: Wstęp do analizy błędu pomiarowego, PWN, Warszawa [12] Terenowski H., 2010: Szacowanie niepewności pomiarów, strona internetowa: yadda/element/bwmeta1.element.baztech-article-pwaa /c/httpwww_witu_mil_plwwwbiuletynzeszyty p77.pdf; dostęp ( ). [13] (dostęp ). [14] EA guidelines on the expression of uncertainty in quantitivetesting, EA-04/16 Europeancooperation for Accreditation, December 2003, Polskie wydanie:ea-04/16 Wytyczne EA dotyczące wyrażania niepewności w badaniach ilościowych, tłumaczenie PCA, , [15] Wytyczne dotyczące oceny i przedstawienia zgodności ze specyfikacją w oparciu o pomiary i badania laboratoryjne, dokument ILAC-G8, Warszawa 1996, [16] Wyrażanie niepewności pomiarów (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurements) przewodnik, wydanie polskie, Główny Urząd Miar, 1999, dr inż. Mirosław Bajda inż. Marlena Pogoda Politechnika Wrocławska 22 Transport 1(31)/2016