nr 3 (72) 2014, s. 33-43
___________________________________________________________________________
Analiza wpływu temperatury na własno
ś
ci reologiczne
ta
ś
m przeno
ś
nikowych
Jacek Zarzycki
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, e-mail: 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
Wst
ę
p
Przenośniki taśmowe eksploatowane są od wielu lat jako jedne z najbardziej efek-tywnych 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 oto-czenia. Jednym z podstawowych parametrów taśmy jest moduł sprężystości, które-go znajomość jest niezbędna m.in.: do obliczeń dłuktóre-gości skoku wózka napinającektóre-go 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 bada
ń
Badania przeprowadzono na specjalnie zaprojektowanym stanowisku laboratoryj-nym, wyposażonym w siłownik pneumatyczny 1, który wprawia w ruch okresowy dźwignię 2, zamocowaną na ramie urządzenia, do której poprzez szczęki 3
zamo-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 mocują-cych. 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 za-implementowanym w środowisku LabVIEW [9]. Na próbce taśmy znajduje się induk-cyjny 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 kli-matycznej, 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 tempera-tury 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
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 hi-sterezy. Moduł sprężystości taśmy E, definiowany jest jako stosunek przyrostu na-prężenia ∆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 bada
ń
ta
ś
m przeno
ś
nikowych 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 Kr = 800 oraz 1600 kN/m.
W badaniach własności sprężystych sposób obciążania próbki (różne częstotli-wości wymuszeń) ma wpływ na wartości jej modułu sprężystości, dlatego w zreali-zowanym planie badań uwzględniono sinusoidalnie zmienne wymuszenie dyna-miczne 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.
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. 20-25 °C. W innych temperaturach wyniki są porównywane do wyników badań w tej temperaturze, która w dalszej części pracy jest nazywana tem-peraturą odniesienia.
Poniżej przedstawiono wykres zbiorczy wartości modułu sprężystości w zależno-ści od temperatury, z uwzględnieniem przyjętych częstotliwozależno-ści wymuszenia.
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 zerwa-niem próbki podczas jej badania w temperaturze +50 °C i częstotliwości obciążenia równej 0,1 Hz, nie wykonano badania w tej temperaturze dla częstotliwości obciąże-nia 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] -30 -20 -10 0 10 21 50
0,1 29574 23872 20164 18014 13764 9321 4329
0,3 32334 26252 20664 19094 14440 9789 b.d.
0,5 34263 26452 20865 19204 14852 10373 b.d.
Wartość modułu sprężystości dla taśmy typu GPM-P-1600/4 przy każdej często-tliwości obciążenia jest największa w temperaturze -30 °C i wzrasta ponad trzykrot-nie, 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.
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.
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 ta-beli 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] -30 -20 -10 0 10 21 50
0,1 28665 16046 13832 13092 10701 8565 6990 0,3 29640 16420 15054 14686 13344 8718 7188 0,5 30180 17125 15204 15181 11436 8730 7322
Wartość modułu sprężystości dla taśmy typu GPM-EP-800/3 podczas badania przy każdej częstotliwości obciążenia jest największa w temperaturze -30 °C i wzra-sta o ok. 330-350%, natomiast najmniejsza przy +50 °C i obniża się o ponad 20%, w stosunku do wyników otrzymanych w temperaturze odniesienia.
Badanie ta
ś
m przeno
ś
nikowych przystosowanych do pracy
w temperaturze od +5 °C do +60 °C
Badaniom laboratoryjnym w wysokich temperaturach poddano pięć próbek tkani-nowych taśm przenośnikowych, stosowanych w przemyśle. Wybrano próbki o jed-nostkowej wytrzymałości Kr = 800, 1250, 1600 oraz 2000 kN/m. Wzorem
poprzed-nich badań uwzględniono sinusoidalnie zmienne wymuszenie dynamiczne z często-tliwościami: f = 0,1-0,3-0,5 Hz oraz temperatury +21 °C i +50 °C. Poniżej przedsta-wiono wyniki badań modułu sprężystości wybranych taśm przenośnikowych wraz z krótkim opisem jej przeznaczenia i budowy.
Taśmy PVC przeznaczone są do transportu materiałów sypkich lub rozdrobnio-nych w temperaturze otoczenia od +5 °C do +60 °C na przenośnikach zabudowa-nych w podziemzabudowa-nych zakładach górniczych. Taśma PVC składa się z rdzenia, zbu-dowanego 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 zabudo-wanych w podziemnych zakładach górniczych. Taśma składa się z rdzenia jednoli-cie tkanego przesączonego zmiękczonym polichlorkiem winylu oraz trudnopalnych okładek i obrzeży gumowych.
Rys. 10. Zestawienie wartości modułu sprężystości w zależności od temperatury i częstotli-wości 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 prze-znaczone 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
ści 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] Zmiana
procentowa dla f=0,1 Hz [%] 21°C 50°C 0,1 Hz 0,3 Hz 0,5 Hz 0,1 Hz 0,3 Hz 0,5 Hz PVC-P-800/2 12243 12941 13364 11561 12004 12337 6 PWG-P-1250/1 15998 17323 18397 12531 13731 14383 22 UNIFLEX® PVG 2000/1 24725 26641 27302 16356 21467 21713 34 GTP PWG- EBPB-1600/1 25695 27483 28306 19135 20092 20703 26 GTP PWG- EBPB-1800/1 24397 25963 27183 12993 15080 16022 47
Podsumowanie
Przeprowadzone badania laboratoryjne próbek taśm w niskich oraz wysokich tempe-raturach pozwalają stwierdzić, że zaprezentowane stanowisko wraz z układem auto-matycznej regulacji zaimplementowanym w środowisku LabVIEW umożliwia uzyska-nie 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 bar-dzo wysokich, dochodzących do +50 °C. Na podstawie tych badań stwierbar-dzono, 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 trwało-ści oraz uszkodzeń innych elementów przenośnika.
Z taśm przystosowanych do pracy w temperaturze 5-60 °C taśmy typu PVC cha-rakteryzują 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
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 przenośni-ków, 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 wła-sności, aby transport przenośnikami taśmowymi stawał się coraz bardziej ekono-miczny i niezawodny.
Bibliografia
[1] Furmanik K., Zarzycki J., 2011, O modelowaniu własności reologicznych taśm przenośni-kowych, Transport Przemysłowy i Maszyny Robocze, nr 1(11), s. 23-28.
[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. 22-27.
[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. 6-11.
[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 spręży-stości taśm przenośnikowych przy cyklicznym rozciąganiu, Transport Przemysłowy i Ma-szyny Robocze, nr 2(21), s. 6-10.
[7] Zarzycki J., Furmanik K., 2009, O badaniach modułu sprężystości taśm przenośniko-wych, 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. 13-16.
[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 przeno-śnikowe – Oznaczanie wydłużenia sprężystego i wydłużenia trwałego oraz obliczanie modułu sprężystości.
