Analiza wpływu temperatury na własności reologiczne taśm przenośnikowych

Transkrypt

1 CUPRUM Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud nr 3 (72) 2014, s Analiza wpływu temperatury na własności reologiczne taśm przenośnikowych Jacek Zarzycki AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, al. A. Mickiewicza 30, Kraków, jacek.zarzycki@agh.edu.pl Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań modułu sprężystości różnych taśm przenośnikowych przeprowadzonych w wysokich i niskich temperaturach otoczenia. Badania przeprowadzono na specjalnym stanowisku, wyposażonym w układ pomiarowy, którego niewielkie wymiary pozwalają na umieszczenie go w komorze klimatycznej. Słowa kluczowe: taśma przenośnikowa, moduł sprężystości, własności reologiczne Analysis of the influence of temperature on rheological properties of conveyor's belts Abstract The article presents test results the modulus of elasticity of various conveyor belts carried out at high and low ambient temperatures. The study was conducted on a special stand, equipped with a measuring system, whose small size allows it to be placed in a climatic chamber. Key words: conveyor belt, modulus of elasticity, rheological properties Wstęp Przenośniki taśmowe eksploatowane są od wielu lat jako jedne z najbardziej efektywnych środków transportu materiałów sypkich na krótkich dystansach. Używa się ich w miejscach, gdzie temperatury otoczenia latem sięgają do +50 C, natomiast zimą spadają do -40 C. Najważniejszym elementem tego typu przenośników jest taśma, której własności mechaniczne w sposób istotny zależą od temperatury otoczenia. Jednym z podstawowych parametrów taśmy jest moduł sprężystości, którego znajomość jest niezbędna m.in.: do obliczeń długości skoku wózka napinającego taśmę podczas nieustalonych stanów pracy przenośnika, analizy rozkładu obciążeń bębnów napędowych, analizy zjawisk dynamicznych występujących podczas pracy przenośnika taśmowego itp. [1, 3, 4, 7-10]. Budowa stanowiska i metoda badań Badania przeprowadzono na specjalnie zaprojektowanym stanowisku laboratoryjnym, wyposażonym w siłownik pneumatyczny 1, który wprawia w ruch okresowy dźwignię 2, zamocowaną na ramie urządzenia, do której poprzez szczęki 3 zamo-

2 34 cowana jest jednym końcem próbka taśmy 4. Drugi jej koniec, zamocowany w szczękach, łączy się z tensometrycznym czujnikiem siły 5, a następnie z ramą. Rys. 1. Budowa stanowiska badawczego do badań własności reologicznych taśm przenośnikowych: 1 siłownik pneumatyczny, 2 dźwignia, 3 szczęki, 4 próbka taśmy, 5 czujnik siły Fig. 1. Construction of the test stand for testing rheological properties of conveyor's belts 1 pneumatic cylinder, 3 two-lever jaws, 4 sample of conveyor's belts, 5 force sensor Stanowisko przymocowane jest do dna komory za pomocą prowadnic mocujących. Siłownik jest zasilany powietrzem ze sprężarki o maksymalnym ciśnieniu 8 bar. Dodatkowo układ wyposażony jest w zawór proporcjonalny, który pozwala regulować wartość ciśnienia powietrza. Zawór regulacji ciśnienia jest sterowany za pomocą karty pomiarowej poprzez program z układem automatycznej regulacji zaimplementowanym w środowisku LabVIEW [9]. Na próbce taśmy znajduje się indukcyjny czujnik przemieszczeń typu PJx20 nr 5027, rejestrujący odkształcenia próbki na bazie pomiarowej równej 200 mm (rys. 1). Niewielkie wymiary stanowiska pozwalają na jego umieszczenie w komorze klimatycznej, co umożliwia wykonywanie badań w zakresie temperatur od -30 C do +50 C (rys. 1). Dzięki temu ma ono dużą przewagę nad standardową maszyną wytrzymałościową, na której nie ma możliwości wykonania miarodajnych badań w niskich czy bardzo wysokich temperaturach. Jest to istotne, gdyż zmiany temperatury wpływają w dużym stopniu na eksploatacyjne własności taśmy [5]. Do badań przygotowano próbki o szerokości 50 mm i długości 500 mm wycięte w kierunku wzdłużnym z taśmy przenośnikowej. W miejscu mocowania czujnika

3 35 przemieszczeń usunięto część okładki nośnej i bieżnej, tak by pozostała jej grubość wynosiła od 0,5 do 1,0 mm [6-9, 11]. Badane próbki poddano dwustu cyklom obciążeń z różnymi częstotliwościami w zakresie 2-10% jej wytrzymałości na rozciąganie. Analizowano ostatnią pętlę histerezy. Moduł sprężystości taśmy E, definiowany jest jako stosunek przyrostu naprężenia σ do wywołanego nim wydłużenia względnego ε [11]. Rys. 2. Wykres naprężenia σ w funkcji wydłużenia względnego ε, z zaznaczoną pierwszą i dwusetną pętlą histerezy sprężystej Fig. 2. Chart stress σ as a function of strain ε, the selected first and the two hundredth hysteresis loop Wyniki badań taśm przenośnikowych przystosowanych do pracy w niskich i wysokich temperaturach Badaniom laboratoryjnym w niskich i wysokich temperaturach poddano dwie próbki tkaninowych taśm przenośnikowych, stosowanych w przemyśle. Wybrano próbki o jednostkowej wytrzymałości K r = 800 oraz 1600 kn/m. W badaniach własności sprężystych sposób obciążania próbki (różne częstotliwości wymuszeń) ma wpływ na wartości jej modułu sprężystości, dlatego w zrealizowanym planie badań uwzględniono sinusoidalnie zmienne wymuszenie dynamiczne z częstotliwościami: f = 0,1-0,3-0,5 Hz oraz zakres temperatur od -30 C do +50 C. Poniżej na wykresach oraz w tabeli 1 przestawiono wyniki badań dla taśmy typu GPM-P-1600/4 przy założonych częstotliwościach obciążenia.

4 36 Rys. 3. Pętle histerezy w zależności od temperatury przy częstotliwości obciążenia 0,1 Hz dla taśmy typu GPM-P-1600/4 Fig. 3. Hysteresis loops depending on temperature at a frequency of load 0.1 Hz for conveyor's belt GPM-P-1600/4 Rys. 4 Wartość modułu sprężystości w funkcji temperatury przy częstotliwości obciążenia 0,1 Hz dla taśmy typu GPM-P-1600/4 Fig. 4. The value of the modulus of elasticity as a function of the temperature at a frequency of load 0.1 Hz for conveyor's belt GPM-P-1600/4 Badania próbek taśm przenośnikowych najczęściej wykonuje się w temperaturze pokojowej, czyli ok C. W innych temperaturach wyniki są porównywane do wyników badań w tej temperaturze, która w dalszej części pracy jest nazywana temperaturą odniesienia. Poniżej przedstawiono wykres zbiorczy wartości modułu sprężystości w zależności od temperatury, z uwzględnieniem przyjętych częstotliwości wymuszenia.

5 37 Rys. 5. Zestawienie wartości modułu sprężystości w zależności od temperatury i przyjętych częstotliwości obciążenia dla taśmy typu GPM-P-1600/4 Fig. 5. Summary of values of the elastic modulus depending on temperature and for accepted frequency of load for conveyor's belt GPM-P-1600/4 Dokładne wartości modułu sprężystości podano w tabeli 1. W związku z zerwaniem próbki podczas jej badania w temperaturze +50 C i częstotliwości obciążenia równej 0,1 Hz, nie wykonano badania w tej temperaturze dla częstotliwości obciążenia 0,3 Hz i 0,5 Hz. Tabela 1. Zestawienie wartości modułu sprężystości przy zadanych częstotliwościach obciążenia dla taśmy typu GPM-P-1600/4 Table 1. Summary of values of the elastic modulus for accepted frequency of load for conveyor's belt GPM-P-1600/4 Temperatura [ C] f [Hz] , , b.d. 0, b.d. Wartość modułu sprężystości dla taśmy typu GPM-P-1600/4 przy każdej częstotliwości obciążenia jest największa w temperaturze -30 C i wzrasta ponad trzykrotnie, natomiast najmniejsza w temperaturze +50 C i obniża się o około 50%, w stosunku do wyników otrzymanych w temperaturze odniesienia. Poniżej na wykresach przestawiono wyniki badań dla taśmy typu GPM-EP-800/3, przy częstotliwości obciążenia 0,1 Hz, 0,3 Hz oraz 0,5 Hz.

6 38 Rys. 6. Pętle histerezy w zależności od temperatury przy częstotliwości obciążenia 0,1 Hz dla taśmy typu GPM-EP-800/3 Fig. 6. Hysteresis loops depending on temperature at a frequency of load 0.1 Hz for type conveyor's belt GPM-EP-800/3 Rys. 7. Wartość modułu sprężystości w funkcji temperatury przy częstotliwości obciążenia 0,1 Hz dla taśmy typu GPM-EP-800/3 Fig. 7. The value of the modulus of elasticity as a function of the temperature at a frequency of load 0.1 Hz for conveyor's belt GPM-EP-800/3 Rys. 8 prezentuje zestawione wartości modułu sprężystości taśmy typu GPM- EP-800/3 w funkcji temperatury, z uwzględnieniem założonych częstotliwości.

7 39 Rys. 8. Zestawienie wartości modułu sprężystości w zależności od temperatury i przyjętych częstotliwości obciążenia dla taśmy typu GPM-EP-800/3 Fig. 8. Summary of values of the elastic modulus depending on temperature and for accepted frequency of load for conveyor's belt GPM-EP-800/3 Dokładne wartości modułu sprężystości dla badanej taśmy zamieszczono w tabeli 2. Tabela 2. Zestawienie wartości modułu sprężystości przy zadanych częstotliwościach obciążenia dla taśmy typu GPM-EP-800/3 Table 2. Summary of values of the elastic modulus for accepted frequency of load for conveyor's belt GPM-EP-800/3 Temperatura [ C] f [Hz] , , , Wartość modułu sprężystości dla taśmy typu GPM-EP-800/3 podczas badania przy każdej częstotliwości obciążenia jest największa w temperaturze -30 C i wzrasta o ok %, natomiast najmniejsza przy +50 C i obniża się o ponad 20%, w stosunku do wyników otrzymanych w temperaturze odniesienia.

8 40 Badanie taśm przenośnikowych przystosowanych do pracy w temperaturze od +5 C do +60 C Badaniom laboratoryjnym w wysokich temperaturach poddano pięć próbek tkaninowych taśm przenośnikowych, stosowanych w przemyśle. Wybrano próbki o jednostkowej wytrzymałości K r = 800, 1250, 1600 oraz 2000 kn/m. Wzorem poprzednich badań uwzględniono sinusoidalnie zmienne wymuszenie dynamiczne z częstotliwościami: f = 0,1-0,3-0,5 Hz oraz temperatury +21 C i +50 C. Poniżej przedstawiono wyniki badań modułu sprężystości wybranych taśm przenośnikowych wraz z krótkim opisem jej przeznaczenia i budowy. Taśmy PVC przeznaczone są do transportu materiałów sypkich lub rozdrobnionych w temperaturze otoczenia od +5 C do +60 C na przenośnikach zabudowanych w podziemnych zakładach górniczych. Taśma PVC składa się z rdzenia, zbudowanego z 1-4 przekładek przesączonych zmiękczonym polichlorkiem winylu i okładek PVC. Na rys. 9, przedstawiono wyniki badań dla taśmy typu PVC-P-800/2. Rys. 9. Zestawienie wartości modułu sprężystości w zależności od temperatury i częstotliwości obciążenia dla taśmy typu PVC-P-800/2 Fig. 9. Summary of values of the elastic modulus depending on temperature and frequency of load for conveyor's belt PVC-P-800/2 Taśmy typu PWG oraz PVG przeznaczone są do transportu materiałów sypkich lub rozdrobnionych, w temperaturze otoczenia 5-60 C, na przenośnikach zabudowanych w podziemnych zakładach górniczych. Taśma składa się z rdzenia jednolicie tkanego przesączonego zmiękczonym polichlorkiem winylu oraz trudnopalnych okładek i obrzeży gumowych. Na rys. 10 przestawiono wyniki badań dla taśmy typu PWG-P-1250/1.

9 41 Rys. 10. Zestawienie wartości modułu sprężystości w zależności od temperatury i częstotliwości obciążenia dla taśmy typu PWG-P-1250/1 Fig. 10. Summary of values of the elastic modulus depending on temperature and frequency of load for conveyor's belt PWG-P-1250/1 Taśmy tkaninowo-gumowe, 1-przekładkowe, trudnopalne, GTP PWG, są przeznaczone głównie do transportu materiałów sypkich w podziemnych wyrobiskach zakładów górniczych o dowolnej granulacji. Temperatura pracy taśmy winna mieścić się w przedziale 5-60 C. Taśmy 1-przekładkowe typu GTP PWG składają się z rdzenia tkaninowego jednolicie tkanego, gdzie materiałem na osnowę jest poliester (E) w oplocie bawełnianym (B), wątek natomiast stanowi poliamid z bawełną (PB). Na rys. 11 przestawiono wyniki badań dla taśmy typu GTP PWG-EBPB-1600/1. Rys. 11. Zestawienie wartości modułu sprężystości w zależności od temperatury i częstotliwości obciążenia dla taśmy typu GTP PWG-EBPB-1600/1 Fig. 11. Summary of values of the elastic modulus depending on temperature and frequency of load for conveyor's belt GTP PWG-EBPB-1600/1

10 42 Na wykresach powyżej przedstawiono wybrane wyniki badań modułu sprężystości po jednej próbce taśmy każdego typu, natomiast w tabeli 3 zestawiono dokładne wartości modułu sprężystości wszystkich badanych taśm w temperaturach 21 C i 50 C, przy założonych częstotliwościach obciążenia. Załączono także wartości zmian procentowych modułu sprężystości w temperaturze 50 C w stosunku do temperatury odniesienia. Tabela 3. Zestawienie wartości modułu sprężystości dla taśm przystosowanych do pracy w temperaturze 5-60 C Table 3. Summary of values of the elastic modulus for conveyor's belts adapted for operation on temperature of 5-60 C Oznaczenie taśmy Moduł sprężystości [kn/m] 21 C 50 C 0,1 Hz 0,3 Hz 0,5 Hz 0,1 Hz 0,3 Hz 0,5 Hz Zmiana procentowa dla f=0,1 Hz [%] PVC-P-800/ PWG-P-1250/ UNIFLEX PVG 2000/ GTP PWG- EBPB-1600/ GTP PWG- EBPB-1800/ Podsumowanie Przeprowadzone badania laboratoryjne próbek taśm w niskich oraz wysokich temperaturach pozwalają stwierdzić, że zaprezentowane stanowisko wraz z układem automatycznej regulacji zaimplementowanym w środowisku LabVIEW umożliwia uzyskanie miarodajnych wyników badań własności reologicznych taśm przenośnikowych. Z przeprowadzonych badań wynika, że bardzo duży wpływ na wartość modułu sprężystości ma temperatura. Dzięki specjalnej komorze klimatycznej zbadano, jak taśmy zachowują się w bardzo niskich temperaturach nawet do -30 C oraz w bardzo wysokich, dochodzących do +50 C. Na podstawie tych badań stwierdzono, że wraz ze wzrostem temperatury wartość modułu sprężystości maleje. Dla taśm typu GPM w temperaturze +50 C spadek nastąpił maksymalnie o około 50%, natomiast w temperaturze -30 C wartość modułu wzrosła trzykrotnie w stosunku do wartości otrzymanych w temperaturze odniesienia, wynoszącej ok. 21 C. Tak duże różnice wartości modułu sprężystości mogą spowodować niestabilne zachowanie taśmy podczas jej eksploatacji, co w efekcie może doprowadzić do zmniejszenia jej trwałości oraz uszkodzeń innych elementów przenośnika. Z taśm przystosowanych do pracy w temperaturze 5-60 C taśmy typu PVC charakteryzują się mniejszą wrażliwością na działanie wysokiej temperatury niż taśmy typu PWG. Drugim czynnikiem, mającym wpływ na wzrost wartości modułu sprężystości, jest zwiększenie częstotliwości obciążenia. Wpływ częstotliwości wymuszeń dynamicznych na moduł sprężystości jest tym większy im niższa jest temperatura badanych próbek

11 43 taśm. Przy podwyższonej częstotliwości obciążenia i wysokiej temperaturze niektóre próbki uległy zniszczeniu w miejscu mocowania w szczękach, co uniemożliwiło przeprowadzenie dalszych badań. Taśma przenośnikowa ma znaczący udział w kosztach eksploatacji przenośników, a jej niezawodna praca decyduje o niezawodności całego układu. Ponieważ jest ona tak istotnym elementem, a także dzięki wprowadzaniu nowych materiałów i technologii do jej produkcji, należy ciągle poznawać, badać oraz polepszać jej własności, aby transport przenośnikami taśmowymi stawał się coraz bardziej ekonomiczny i niezawodny. Bibliografia [1] Furmanik K., Zarzycki J., 2011, O modelowaniu własności reologicznych taśm przenośnikowych, Transport Przemysłowy i Maszyny Robocze, nr 1(11), s [2] Gładysiewicz L., 2003, Przenośniki taśmowe. Teoria i obliczenia, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław. [3] Kulinowski P., Zarzycki J., 2008, Metoda wyznaczania wartości modułu sprężystości taśmy przenośnikowej w badaniach przemysłowych, Transport Przemysłowy i Maszyny Robocze, nr 1(1), s [4] Kulinowski P., Zarzycki J., 2012, Furmanik K.: Identyfikacja parametrów standardowego modelu reologicznego taśmy i jego wykorzystanie w symulacyjnych badaniach dynamiki przenośników taśmowych, Transport Przemysłowy i Maszyny Robocze, nr 2(15), s [5] Pypno Cz., 1994, Wpływ temperatury na własności mechaniczne taśm przenośnikowych, Praca doktorska, Politechnika Śląska, Katowice. [6] Woźniak D., Sawicki W., 2008, Doświadczenia z badań laboratoryjnych modułu sprężystości taśm przenośnikowych przy cyklicznym rozciąganiu, Transport Przemysłowy i Maszyny Robocze, nr 2(21), s [7] Zarzycki J., Furmanik K., 2009, O badaniach modułu sprężystości taśm przenośnikowych, Zeszyty Naukowe PSW, Jasło. [8] Zarzycki J., 2011, Wpływ własności reologicznych taśmy na parametry eksploatacyjne przenośnika, Praca doktorska, Akademia Górniczo-Hutnicza, [9] Zarzycki J., 2013, Badania własności reologicznych taśm przenośnikowych w ujemnych temperaturach, Transport Przemysłowy i Maszyny Robocze, nr 3, s [10] Żur T., Hardygóra M., 1996, Przenośniki taśmowe w górnictwie. Wydawnictwo Śląsk, Katowice. [11] Polski Komitet Normalizacji, Miar i Jakości, 2005, PN-EN ISO 9856:2005 Taśmy przenośnikowe Oznaczanie wydłużenia sprężystego i wydłużenia trwałego oraz obliczanie modułu sprężystości.

12 44