Aramid jest rodzajem organicznego włókna syntetycz

Badania odporności taśmy aramidowej na symulowane uszkodzenia eksploatacyjne Tests of the aramid belt resistance to simulated operational damage Mirosław Bajda, Damian Gancarek Przedmiotem badań jest coraz częściej stosowana w pol skim górnictwie taśma aramidowa. Taśmę przebadano w aspekcie oceny jej odporności na symulowane uszko dzenia eksploatacyjne. Zbadano takie parametry, jak od porność taśmy na przebijanie, przecinanie wzdłużne oraz rozdzieranie. Otrzymane wyniki porównano z wynikami analogicznych badań dla taśm z linkami stalowymi, ale o takiej samej wytrzymałości, jak taśma aramidowa. Aramid jest rodzajem organicznego włókna syntetycz nego, który należy do grupy poliamidów wysokoaro matycznych. Jego cechą charakterystyczną jest wysoka wytrzymałość, zbliżona do wytrzymałości stali, przy czym zachowuje giętkość i lekkość włókien tekstylnych. Duże znaczenie w eksploatacji taśm aramidowych ma rów nież fakt, że wykazują one dużo wyższą wytrzymałość zmę czeniową niż taśmy z linkami stalowymi. Nie zmieniają wła ściwości w szerokim zakresie temperatur i nie korodują jak w przypadku taśm z linkami stalowymi. Grubość taśmy przenośnikowej z rdzeniem wykonanym na bazie włókien aramidowych może być znacząco mniejsza w stosunku do taśmy z linkami stalowymi o tej samej wytrzymałości (rys. 1). Ponadto przy tej samej wytrzymałości taśma ara midowa ma pięciokrotnie mniejszą masę niż taśma z linkami stalowymi. Zmniejszenie masy taśmy pociąga za sobą wiele pozytywnych zjawisk w czasie eksploatacji przenośnika, między innymi obniża zużycie energii elektrycznej przez napędy przenośników [10, 13]. Jeżeli chodzi o proces produkcji taśmy aramidowej, to w związku z mniejszą gru bością niż grubość taśmy z linkami stalowymi może ona być produkowana w jednym odcinku o długości nawet do 400 m, co przekłada się na mniejszą liczbę połączeń takiej taśmy na przenośniku [5, 7, 13]. Rys. 1 Porównanie grubości taśmy aramidowej i taśmy z lin kami stalowymi Rdzeń aramidowy w porównaniu z najczęściej stosowa nym w polskim przemyśle rdzeniem z linkami stalowymi, zastosowany jako rdzeń taśmy przenośnikowej, wykazuje wiele zalet, z których najważniejsze to [13]: mniejsza masa przy tej samej wytrzymałości, co powo duje mniejsze zużycie energii, brak korozji, mniejsza masa i grubość taśmy, dzięki czemu jest ona bardziej elastyczna i wymaga mniejszej liczby złączy na przenośniku, większe bezpieczeństwo pracy, ponieważ nie iskrzy ani nie przewodzi prądu. Ze względu na swoje zalety aramid staje się coraz bardziej powszechny w produkcji taśm przenośnikowych. W artykule przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych odporności taśmy aramidowej na uszkodzenia, które mogą powstać w trakcie jej pracy na przenośniku w warunkach eksploatacyjnych [2, 14]. Najczęściej spotykane uszkodze nia to: przebicie taśmy, przecięcie wzdłużne oraz rozdarcie. Próbki taśmy aramidowej o wytrzymałości nominalnej 3150 kn/m były badane w ramach realizacji pracy dyplomowej [3]. Ponieważ są to pierwsze wyniki badań taśm tego typu w Polsce, więc zasadnym jest porównanie z wynikami ana logicznych badań wykonanych dla taśm z linkami stalowy mi, które są powszechnie stosowane w polskich kopalniach węgla brunatnego. Próbki taśm z linkami stalowymi były badane wcześniej w ramach realizacji grantu badawczego nr NR09 0003 10/2010 [8], w którym badano taśmy stan dardowe typu ST3150 14+7 i ze wzmocnionymi okładkami typu ST3150 14T+7T. Taśmy z linkami stalowymi stanowią od 80% do 90% wszystkich taśm pracujących w kopalniach węgla brunatnego i z tego powodu na rynku podejmuje się próby zastąpienia ich taśmami aramidowymi. Uszkodzenia eksploatacyjne taśm przenośnikowych Taśma przenośnikowa, ze względu na swój bezpośredni kontakt z urobkiem, jest elementem przenośnika najbardziej narażonym na uszkodzenie. Podczas pracy na przenośniku taśmowym poddawana jest ona różnorodnym obciążeniom, które powodują jej uszkodzenia. Uszkodzenia te najczę ściej powstają w wyniku niszczącego działania brył spada jących w miejscach przesypów. Na podstawie badań [1, 2, 14] stwierdzono, że we wczesnym okresie eksploatacji taśmy uszkodzenia po stronie zewnętrznej nie są widoczne. Licz ba uszkodzeń powstałych na taśmie wzrasta wraz z czasem 2 Transport 1(27)/2015

jej eksploatacji, w pewnych miejscach się kumulując. Pro wadzi to do powstania rozległych pęknięć, które można zauważyć na powierzchni taśmy. Przykładem takiego uszko dzenia taśmy może być jej miejscowe przebicie [4]. W takim przypadku na taśmie przenośnikowej pojawia się obszar, w którym nie tylko powierzchnia gumowa, ale i rdzeń utraciły spójność. Uszkodzenie w takiej postaci jest niebezpieczne dla dalszej eksploatacji przenośnika i konieczna jest jego naprawa. Jeżeli uszkodzenie jest niewielkie, a konstrukcja rdzenia nie została znacznie naruszona, to naprawa może polegać na wulkanizacji uszkodzonego fragmentu taśmy. Inaczej jest w przypadku rozległych uszkodzeń rdzenia, kiedy koniecznym jest wycięcie fragmentu taśmy i zastąpienie go nowym odcinkiem taśmy. Naprawę zlokalizowanego uszko dzenia należy przeprowadzić jak najszybciej, tak by zmi nimalizować czas i koszty ewentualnej naprawy [1]. Do podstawowych uszkodzeń taśm przenośnikowych podczas ich użytkowania należą [1]: przecięcie wzdłużne lub poprzeczne taśmy, rozdarcie taśmy, oberwanie obrzeża gumowego i strzępienie się rdzenia taśmy, nadmierne wycieranie się okładki nośnej i bieżnej, przebicie taśmy, zagrzewanie się taśmy przez tarcie o unieruchomione elementy konstrukcji przenośnika. Bardzo ważnym aspektem w zarządzaniu przedsiębiorstwem jest dbałość o niezawodną pracę urządzeń transportowych. Niezbędne do spełnienia tego warunku są informacje o stanie technicznym przenośników. Aby zapobiec uszko dzeniom taśmy, wprowadza się więc monitoring stanu taśm, dzięki któremu można rejestrować wielkość, liczbę i poło żenie uszkodzeń w taśmie [1, 11]. Badania laboratoryjne Badania laboratoryjne odporności taśm na przebijanie oraz odporności na przecięcia wzdłużne nie są znormalizowane [4, 6]. Badania te wykonano według metody opracowanej na Politechnice Wrocławskiej w ramach realizacji grantu badawczego nr NR09 0003 10/2010 [8]. Badania odporno ści taśm na rozdzieranie wykonano według normy BN 890452 24 [15]. Na podstawie uzyskanych wyników badań porów nano odporność taśmy aramidowej i taśmy z linkami sta lowymi o tych samych parametrach wytrzymałościowych, w celu oceny ich odporności na uszkodzenia eksploata cyjne. Badania odporności taśm na przebijanie wykonuje się na specjalnie skonstruowanym stanowisku do badania odpor ności taśm na przebijanie. Badanie to polega na podda waniu taśmy uderzeniom bijaka ze wzrastającą energią i identyfikacji powstałych w wyniku uderzenia uszkodzeń. Próbki mocuje się w szczękach zaciskowych i napina się siła równą 10% nominalnej wytrzymałości taśmy. Na prób ce wykonuje się od kilku do kilkunastu uderzeń z różnych wysokości. Po każdym uderzeniu próbka taśmy jest umiesz czana w nowe położenie. Masa przebijaka wynosi 50 kg. Jeżeli jednak wymagana jest większa energia uderzenia, to zwiększa się masę przebijaka. Końcówka przebijaka ma kształt stożka o kącie wierzchołkowym 60 i promieniu zaokrąglenia wierzchołka R =10 mm. W osi bijaka znajduje się stała podpora o rozstawie podpór równym 200 mm (rys. 2) [6, 8]. Rys. 2 Schemat podparcia próbki [8]: 1 szczęka zaciskowa stała, 2 szczęka zaciskowa ruchoma, 3 bijak, 4 podpora, 5 taśma Po zrealizowaniu całego programu tych badań z taśmy zdejmuje się okładkę nośną i identyfikuje wielkość i rodzaj uszkodzeń taśmy mierzona jest długość uszkodzenia rdzenia taśmy L [6, 8]. Jeżeli chodzi o taśmy z linkami stalowymi, to przy uderzeniach bijaka z niewielką energią guma okładkowa pozostaje często nieuszkodzona, ale następuje odwarstwienie się linek stalowych od gumy rdze niowej jest wtedy mierzona długość odwarstwienia. Ener gię uderzenia E określa się z zależności: gdzie: m masa bijaka [kg], g przyspieszenie ziemskie [m/s 2 ], h wysokość spadku bijaka [m]. Odporność na przebijanie określa się na podstawie prze biegu wykresu E = f(l). Całkując równanie opisujące zależ ność E = f(l) w zakresie od zera do przyjętej wielkości uszkodzenia L [mm] i dzieląc wielkość otrzymanego pola powierzchni pod krzywą przez wartość L, otrzymuje się śred nią wielkość energii powodującej uszkodzenia danej taśmy E śr [6]. W wykonywanych badaniach przyjęto wartość L = 60 mm, ponieważ są to najczęściej spotykane w praktyce eksplo atacyjnej długości uszkodzeń [2, 14]. Badanie odporności taśmy na rozdzieranie wykonano według normy [15]. Metoda opisana w normie polega na wyznaczeniu wartości siły potrzebnej do rozdarcia dwóch odpowiednio przygotowanych próbek. Próbki taśmy mocuje się w osi uchwytu (rys. 3). Następnie rozpoczyna się proces rozdzierania ze stałą prędkością [J] Transport 1(27)/2015 3

Wyniki badań Uszkodzenia powstałe w taśmie aramidowej po badaniach odporności na przebijanie przedstawia rys. 5. Na podstawie zmierzonych długości uszkodzeń sporządzono wykres zależności długości uszkodzeń L w funkcji energii uderze nia E (rys. 5) [3]. Rys. 3 Umieszczenie próbki w szczękach hydraulicznych zry warki [15] około 50 mm/min na długości co najmniej 100 mm. Po zakończonym badaniu tworzy się wykres siły rozdzierania w funkcji czasu, na podstawie którego oblicza się średnią siłę powodującą rozdarcie próbki P rozd, a następnie oblicza się wytrzymałość na rozdzieranie R rozd : [kn/m] gdzie: R rozd wytrzymałość na rozdzieranie, [kn/m] P rozd średnia siła rozdzierania, [kn], C grubość próbki, [m]. Jeżeli podczas rozdzierania próbki na pewnych odcin kach nastąpiło wyciąganie włókien, co uwidoczniło się na wykresie wzrostem siły, to te fragmenty wykresów nie są brane pod uwagę przy obliczaniu średniej siły rozdzierania. Do przeprowadzenia badania wykorzystuje się dwie próbki, ze względu na zróżnicowane parametry okładek bieżnej i nośnej. Jedną próbkę rozdzierano od strony okładki no śnej, natomiast drugą od strony bieżnej. W związku z czym za wynik przyjmuje się średnią arytmetyczną z dwóch ozna czeń rozdzierania taśmy. Badanie odporności taśm na przecinanie polega na określeniu wartości siły F potrzebnej do przecięcia taśmy z użyciem specjalnego elementu tnącego (rys. 4). Element ten ma grubość 6 mm, a w miejscu cięcia grubość ta jest zmniejszona do 4 mm [8]. Próbkę umieszcza się w szczęce zaciskowej, a następnie za pomocą siłowników oraz nie ruchomego elementu tnącego przecina się taśmę z pręd kością 100 mm/s. Po całkowitym przecięciu taśmy tworzony jest wykres siły przecinania w funkcji czasu F=f(t), który jest podstawą do określenia odporności taśm na przecinanie. Rys. 4 Element tnący [8] Jeżeli podczas przecinania na pewnych odcinkach na stąpiło odwarstwianie się okładek, co uwidoczniło się na wykresie wzrostem siły, to tych fragmentów wykresów nie bierze się pod uwagę przy obliczaniu wartości średniej siły przecinania F śr. Średnia wartość siły przecinania charakte ryzuje odporność taśmy na przecinanie. Rys. 5 Wykres zależności długości uszkodzeń L w funkcji energii uderzenia E oraz widok uszkodzeń powstałych pod czas badania taśmy aramidowej [3] Z wykresu odczytano wartość energii krytycznej E k = 263 J, powyżej której powstają uszkodzenia w taśmie oraz wartość energii średniej E śr = 655 J. Próbkę taśmy aramidowej po badaniu odporności taśmy na rozdzieranie oraz wyniki badania w postaci wykresów zależności siły rozdzierania w czasie pokazano na rys. 6 [3]. Rys. 6 Przebiegi sił w czasie rozdzierania taśmy aramidowej od strony bieżnej i nośnej oraz widok próbki po badaniu [3] W trakcie rozdzierania taśmy aramidowej nie nastąpiło odwarstwienie okładek od rdzenia, ani wyciąganie nici wątku z rdzenia. Badania odporności taśmy na przecinanie według opra cowanej metody [8] powinno być wykonywane na trzech próbkach. Z powodu braku trzeciej próbki, badania odpor ności taśmy aramidowej na przecinanie, poprzez analogię do znormalizowanych badań odporności taśm na rozdzie ranie, przeprowadzono na dwóch próbkach. Próbki po za kończonym badaniu przedstawiono na rys. 7. Wyniki badań zostały zaprezentowane w postaci wykresów zmiany sił prze cinania w czasie (rys. 7) [3]. Odporność na przecinanie dla pierwszej próbki oznaczonej kolorem niebieskim wyniosła 5098 N, a drugiej 5174 N. 4 Transport 1(27)/2015

Rys. 7 Wykresy zmian w czasie sił przecinania próbek taśmy aramidowej oraz ich widok po przecięciu [3] Średnia odporność taśm na przecinanie wyniosła 5136 N [3]. Nie stwierdzono odwarstwiania się okładek od rdzenia taśmy. Rys. 8 Porównanie odporności badanych taśm na przebijanie Analiza wyników badań Wyniki badań odporności taśmy aramidowej na przebijanie, przecinanie i rozdzieranie umieszczono w tabeli 1, w której podano również wyniki badań odporności taśmy z linkami stalowymi na te same uszkodzenia. Wynik badań taśm z linkami stalowymi uzyskano w ramach realizacji grantu badawczego [8, 9], w którym zbadano wpływ grubości okładki nośnej taśmy, klasy gumy okładek oraz rodzaju wzmocnień poprzecznych na odporność taśm na przebijanie i przeci nanie wzdłużne. Wyniki badań odporności taśm z linkami stalowymi na rozdzieranie uzyskano w ramach realizacji Rys. 9 Porównanie odporności badanych taśm na prze cinanie Oznaczenie taśmy Grubość taśmy i okładek [mm] na przebijanie na przecinanie na rozdzieranie taśmy nośnej bieżnej śr [J] śr [kn] rozd [kn/m] Taśma aramidowa K 3150 8 + 4 16,0 8 4 655 5,1 140 Taśma z linkami stalowymi ST 3150 14 + 7 29,0 14 7 600 8,1 114 Taśma z linkami stalowymi ST 3150 14T + 7T 29,0 14 7 907 13,8 260 Tabela 1 Zestawienie wyników badań taśm o wytrzymałości nominalnej 3150 kn/m E śr F śr R rozd pracy dyplomowej [12], w której zbadano wpływ konstrukcji taśmy przenośnikowej na jej odporność na rozdzieranie. Średnia wartość odporności taśmy z linkami stalowymi typu ST3150 14+7 na przebijanie wynosi 600 J, dla taśmy ze wzmocnionymi okładkami typu ST 3150 14T+7T wy nosi 907 J [8], a dla taśmy aramidowej odporność ta wynosi 655 J. Taśma aramidowa w porównaniu z taśmą z linkami stalowymi w standardowym wykonaniu cechuje się porównywalną odpornością na przebijanie, natomiast w porównaniu z taśmą ze wzmocnionymi okładkami jest około 28% mniej odporna na uszkodzenia typu przebicia (rys. 8). Średnia wartość odporności taśm z linkami stalowymi typu ST 3150 14+7 na przecinanie wynosi 8,1 kn [8] i jest więk sza w porównaniu z taśmą aramidową o ponad 50%. Można to uzasadnić faktem, że taśma z linkami stalowymi jest prawie dwukrotnie grubsza. Taśma typu ST 3150 14T+7T w porów Transport 1(27)/2015 naniu z taśmą aramidową charakteryzuje się około 270% większą odpornością na przecinanie (rys. 9). Taśma aramidowa cechuje się większą o 23% odporno ścią na rozdzieranie w porównaniu z taśmą typu ST3150 14+7. Siła rozdzierania w taśmie aramidowej jest wprawdzie mniejsza, ale po uwzględnieniu grubości taśm jej odpor ność na rozdzieranie jest większa. W porównaniu z taśmą aramidową taśma typu ST 3150 14T+7T charakteryzuje się 86% większą odpornością na rozdzieranie (rys. 10) [3, 12]. W porównaniu z taśmą z linkami stalowymi typu ST3150 14+7 taśma aramidowa charakteryzuje się nieznacznie wy ższą odpornością na przebijanie, jest zaś bardziej odporna na rozdzieranie. Jeżeli chodzi o odporność na przecinanie wzdłużne, to taśma aramidowa w porównaniu z taśmą typu ST 3150 14+7 jest mniej odporna na tego rodzaju uszko dzenia. Wynika to ze znacznie mniejszej grubości taśmy aramidowej w porównaniu z taśmą z linkami stalowymi. 5

Rys. 10 Porównanie odporności badanych taśm na rozdzieranie Taśma aramidowa w porównaniu z taśmą z linkami stalo wymi typu ST3150 14T+7T, która w okładce nośnej i bieżnej zawiera wzmocnienie, wypadła w badaniach znacznie gorzej. Taśma typu ST3150 14T+7T charakteryzuje się większą odpornością na przebijanie i rozdzieranie. Siła niezbędna do przecięcia taśmy z linkami stalowymi typu ST 3150 14T+7T jest większa niż dla taśmy aramidowej. Uwzględniając grubo ści obydwu taśm, taśma typu ST3150 14T+7T jest nadal bardziej odporna na przecinanie. Umieszczenie wzmocnienia w okładkach nośnej i bieżnej taśmy z linkami stalowymi powodują wzrost jej odporności na przebijanie o ok. 50%, na przecinanie o ok. 70% i na rozdzie ranie o ponad 220%, w stosunku do takiej samej taśmy, ale bez wzmocnionych okładek. Podsumowanie Zaprezentowane w artykule wyniki badań odporności taśmy aramidowej na uszkodzenia eksploatacyjne typu przebicia, przecięcia wzdłużne i rozdarcia po raz pierwszy zostały po równane z analogicznymi badaniami, przeprowadzonymi na taśmach z linkami stalowymi. Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że taśma aramidowa w badaniach laboratoryjnych wypadła dobrze pod kątem oceny odporności na uszkodzenia symulujące uszkodze nia eksploatacyjne, w porównaniu z najpopularniejszą w polskim górnictwie odkrywkowym taśmą z linkami stalowymi typu ST3150 14+7. Zdecydowanie gorzej wypadła natomiast w porównaniu z taśmą typu ST3150 14T+7T, od której jest mniej odporna na każdy z trzech badanych typów uszkodzeń eksploatacyjnych. Badania laboratoryjne oraz symulacyjne nie odzwierciedlają jednak rzeczywistości, zwłaszcza kopalnianej. Autorzy w celu pełnej eksperymentalnej walidacji uzyskanych wyników planują przeprowadzenie eksperymentu w ograniczonej skali, ze wzglę du na koszty i trudności organizacyjno techniczne, w warunkach rzeczywistych w kopalni. Rozważania teoretyczne i doświadcze nie zdobyte w laboratorium sugerują, że wpływ realiów kopalni nie powinien radykalnie wpłynąć na konkluzje, wynikające z wyników badań laboratoryjnych. Abstract The subject of research is increasingly use of aramid belts in Polish mines. This belt was tested for assessment of its simulated operational damage resistance. Such parameters as resistance to puncture, cut lengthwise and tear were examined. Obtained results were compared with the results of the same tests for steel cord belt related to the same strength parameters as aramid belts. Literatura [1]. Błażej R., Jurdziak L., Zimroz R.: Novel approaches for pro cessing of multi channels NDT signals for damage detection in conveyor belts with steel cords, Key Engineering Materials, vol. 569/570, 2013, s. 978 985. [2] Domański A.: Ocena efektywności diagnostyki rdzenia taśm przenośnikowych na podstawie zmodernizowanego system EYEQ (na przykładzie PGE GIEK S.A. Oddział KWB Turów), Wro cław 2014, praca magisterska (niepublikowana). [3] Gancarek D.: Badanie taśmy aramidowej pod kątem oceny jej odporności na uszkodzenia eksploatacyjne, Wrocław 2015, praca inżynierska (niepublikowana). [4] Grincowa A., Marasova D.: Experimental research and ma thematical modelling as an effective tool of assessing failure of conveyor belts, Eksploatacja i Niezawodność Maintenance and Reliability 2014; 16(2), s. 229 235. [5] Hardygóra M.: Aramidowe taśmy przenośnikowe, Przegląd Górniczy 1986, 1(749), s. 31 36. [6] Hardygóra M., Komander H., Bajda M., Komander G., Lewando wicz P.: Assessment methods of conveyor belts impact resistance to the dynamic action of a concentrated load, Eksploatacja i Nieza wodność Maintenance and Reliability 2014; 16(4), s. 579 584. [7] Jabłoński R., Paraszczak J., Aramid (kevlar) nowe możliwości w budo wie taśm przenośnikowych, Przegląd Górniczy 1984; 10(734), s. 340 344. [8] Komander H., Hardygóra M., Bajda M., Komander G., Le wandowicz P.: Conveyor belt with increased operational wear resistance designed especially for coal, copper or hard rock mining industry, Grant NCBiR nr NR09 0003 10/2010, Politech nika Wrocławska, raport z badań nr LTT/21/13 (niepubl.), 2013. [9] Komander H., Bajda M., Komander G., Lewandowicz P.: Badanie odporności na uszkodzenia taśm przenośnikowych z linkami stalowymi metodą wyznaczania energii przebijania, Górnictwo Odkrywkowe, 6/2014, s. 12 20. [10] Król R.: Metody badań i doboru elementów przenośnika taśmowego z uwzględnieniem losowo zmiennej strugi urobku, Monografia, Wrocław 2013. [11] Kwaśniewski J.: Monitoring elementem zwiększenia trwa łości i niezawodności ciągłych systemów transportu węgla, Ar chives of Mining Science, 2011; vol. 56; 4, s. 651 664. [12] Piątkowski J.: Wpływ konstrukcji taśmy przenośnikowej na jej odporność na rozdzieranie, Wrocław 2014, praca inżynier ska (niepublikowana). [13] Schuilenburg J.: Rozwiązania w zakresie taśm przenośni kowych energooszczędnych, Materiały XIX Międzynarodowe go Sympozjum Aramid in conveyor belting applications, FTT Wolbrom, Zakopane 2011, s. 169 176. [14] Słupicki A., Trwałość taśm przenośnikowych i ich połą czeń w aspekcie stosowania urządzeń diagnostyki bezinwa zyjnej (na przykładzie PAK KWB Konin S.A.), Wrocław 2014, praca magisterska (niepublikowana). [15] BN 890452 24: Metody badań taśm przenośnikowych Oznaczanie wytrzymałości na rozdarcie. dr inż. Mirosław Bajda inż. Damian Gancarek Politechnika Wrocławska 6 Transport 1(27)/2015