Modelování napěťově-deformačních stavů v dopravních pásech klasických pásových dopravníků

Tags: CAE | deformace | pásové dopravníky | Simulace

Pásové dopravníky patří mezi nejvíce používané dopravní systémy v různých technologických procesech (obr. 1). Umožňují přepravovat materiál na různé vzdálenosti. Využívají se především na přepravu sypkých materiálů, resp. materiálů s určitou maximální kusovitostí. Z konstrukčního hlediska je pásový dopravník tvořen širokou škálou komponentů, které svými vlastnostmi výrazně přispívají k jeho efektivnímu provozu. Poznání vlivu materiálových charakteristik a technologických parametrů dopravních pásů na velikost kontaktních sil a pohybových odporů hadicových dopravníků má důležitý význam při jejich návrhu a provozování.

V procesu návrhu pásových dopravníků mají tyto informace rozhodující podíl při návrhu pohonu dopravníku a volbě dopravního pásu vhodné konstrukce. Tato skutečnost značně ovlivňuje provozní náklady, ale v neposlední řadě má vliv i na životnost dopravního pásu a výrazně ji ovlivňuje.

Při provozu pásových dopravníků mohou ovlivnit poznatky o vlivu materiálových charakteristik a technologických parametrů dopravních pásů na ekonomické náklady jejich provozu, na jejich úroveň a způsob jejich údržby a při výběru vhodného dopravního pásu v případě jeho nezbytné výměny. Z uvedeného vyplývá, že správné poznání pohybových odporů a kontaktních sil přináší výrazné ekonomické úspory provozovateli takového kontinuálního systému dopravy surovin.

Dopravní pás

Dopravní pás je z hlediska provozu dopravníku jeho nejdůležitější částí. Je to uzavřený prvek obíhající kolem koncových bubnů, který při svém oběhu plní funkci nesení materiálu, břemen nebo osob na přepravní délce a současně plní funkci tažného prvku a přenáší všechny odpory, vznikající při jeho pohybu.

Dopravní pás (obr. 2) představuje nosný i tažný prvek pásového dopravníku. Jeho základními konstrukčními prvky jsou kostra a krycí vrstvy.

Obr. 2 Příklad konstrukce dopravního pásu [2]

Kostra dopravního pásu slouží k přenosu tažných sil z hnacího bubnu na dopravní pás, zabezpečuje mu potřebnou pevnost a protirázovou odolnost. Horní krycí vrstva spolu s okrajem chrání kostru proti jejímu mechanickému poškození přepravovaným materiálem, proti působení vlhkosti i proti chemickým a termickým vlivům působícím na dopravní pás. Dolní krycí vrstva přichází do kontaktu s bubny a válečky dopravníku a chrání kostru před jejich negativními účinky. Důležitá je adheze krycí vrstvy s kostrou, protože zajišťuje přenos hnacího momentu bubnu na celý dopravní pás [1].

Tvorba výpočetního modelu

Pro potřeby počítačové analýzy byl navržen a vytvořen výpočetní model, který reprezentuje úsek na výsypném konci pásového dopravníku. V rámci tohoto úseku dochází k postupnému transformování dopravního pásu z korýtkového do plochého tvaru. Geometrie výpočetního modelu byla vytvořena pomocí preprocesoru programu Abaqus.

Vytvořený výpočetní model sestává z části vratného bubnu a válečkových stolic, přičemž v každé válečkové stolici se nacházejí tři podpěrné válečky.

Prezentovaná role byla řešena pomocí modulu ABAQUS/Standard. Jde o klasický MKP procesor, který umožňuje řešení statických úloh a problémů.

Geometrie výpočetního modelu

Podpěrný váleček v rámci výpočetního modelu byl vytvořen vytažením s poloměrem základny 66,5 mm a délkou 465 mm. Následně byl váleček podélně rozdělen na horní a dolní část. Dolní část válečku byla pro zjednodušení výpočtu odstraněna.

Vytažením/extrudováním byl vytvořen i dopravní pás. Šířka pásu v rámci modelu je 1200 mm a tloušťka 6,8 mm. Pás byl rozdělen na jednotlivé pseudoplochy, které přicházejí do styku s válečky, čímž se z hlediska kontaktních podmínek výpočet zjednodušil.

Obr. 3 Návrh geometrického modelu dopravníku

V modulu „Assembly" byla pomocí funkcí „linearn pattern", „translate instance" a „rotate instance" vytvořena část dopravníku (obr. 3), která sestává z dopravního pásu a tří válečkových stolic. Vzdálenosti mezi válečky byly definovány 10 mm na šířku a 1220 mm na délku. Na konci pásu je umístěna část vratného bubnu o poloměru 200 mm.

Materiálové charakteristiky

Materiálové vlastnosti dopravního pásu jsme v rámci výpočtu modelovali jako elastický, lamina s hustotou 1.099-009 t.mm-3, poissonovým číslem 0,499 a modul pružnosti ve smyku je 2,9 MPa. Youngův modul pružnosti v příčném směru jsme definovali 397 MPa a v podélném směru 5,4 MPa. V pásu byla definována orientace materiálových vlastností pomocí lokálního souřadnicového systému.

Z materiálového hlediska byly válečky namodelovány jako elastické izotropní s vlastnostmi oceli s hustotou 7.85-009 t.mm-3. Youngův modul pružnosti je 204 000 MPa a poissonovo číslo jsme stanovili na 0,25.

Definování kontaktů

Dopravní pás je rozdělen na úseky, které přijdou do styku s válečky, čímž se zjednodušil výpočet pro Abaqus. Ze stejného důvodu jsou rozděleny i válečky v horizontálním směru. Tyto úseky jsou definovány v „Assembly" jako povrchy. Pro každý takto vytvořený úsek pásu je přidělena jemu odpovídající část válečku. Pro definované kontakty byla přiřazena stabilizace kontaktu přes „contact controls". Jako „master surface" byly definovány povrchy válečků a kladky, které určují směr a velikost pohybu. Pro „slave surface" byly přiřazeny části dopravního pásu, které přicházejí do kontaktu s jim odpovídajícím povrchem válečku. Povrchy přiřazené pro „slave surface" mají za úkol přizpůsobit se pohybu povrchů definovaných jako „master surface".

Obr. 4 Kontakty mezi válečky a jim odpovídajícím úsekem dopravního pásu

Okrajové podmínky

Středové válečky stejně jako buben mají odebrány všechny stupně volnosti. Boční válečky jsou upevněny proti pohybu v ose X a rotací v ose Y a Z. Tyto válečky mají zároveň další okrajovou podmínku, přes kterou je definována jejich rotace do požadovaného úhlu.

Gravitace a napínání pásu

Gravitace je definována v sekci „Load" na celý model ve směru osy Y o hodnotě g = –9810 mm.s-2. Dopravní pás může být podle požadavků na začátku výpočtu, resp. během jeho průběhu zatěžován napínací silou.

Síťování

Pro tvorbu sítě konečných prvků byly použity prvky typu Shell. Síťování válečků je definováno konečnými prvky o velikosti 15 mm, zatímco pás má síťování vytvořené z konečných prvků o velikosti 20 mm. Menší velikost konečných prvků v rámci síťování by sice zvýšila přesnost výpočtu, ale musela by být realizována s ohledem na možnosti použitého hardwaru.

Využití výpočetního modelu

Výpočetní model umožňuje analyzovat proces transformace dopravního pásu z korýtkové tvaru do plochého tvaru (obr. 5). Jde o důležitý faktor, který významně ovlivňuje velikost pohybových odporů a tím i nároky na pohon pásového dopravníku. Model nám tak umožňuje identifikovat místa jejich vzniku.

Obr. 5 Posun pásu ve směru osy Y při transformaci

Dalším důležitým údajem, který prezentovaný výpočetní model poskytuje, jsou informace o uložení dopravního pásu ve válečkových stolicích. Můžeme se tak přesvědčit, zda je dopravní pás vhodný pro dané konstrukční řešení pásové dopravníku. Jde především o skutečnost, zda materiálové charakteristiky dopravního pásu umožňují jeho správné uložení na válečcích (obr. 6, 7).

Neméně zajímavou informací, kterou prezentovaný výpočetní model poskytuje, je analýza interakce kontaktní dvojice dopravní pás – váleček. Výpočetní model tak umožňuje stanovit a analyzovat velikost kontaktních tlakových účinků, které jsou výsledkem působení válečků na gumotextilní dopravní pás (obr. 8, 9, 10, 11).

Obr. 6 Nedoléhající část pásu při transformaci

Popsaný výpočetní model umožňuje podrobně zkoumat a analyzovat zákonitosti vzniku a existence pohybových odporů a kontaktních sil v dopravním pásu pásového dopravníku. Je vytvořen s hlavním záměrem umožnit výzkum podmínek, které ovlivňují velikost pohybových odporů a kontaktních sil při provozu pásových dopravníků. Získané výsledky lze po důkladné analýze využít pro stanovení základních postulátů pro určování velikosti provozních odporů a kontaktních sil. Poznání kontaktních sil a pohybových odporů pásových dopravníků je skutečnost, kterou je nutné znát, protože tyto ve výrazné míře ovlivňují životnost dopravních pásů.

Obr. 7 Znázornění pozice pásu na válečkových stolicích při transformaci

Obr. 8 Tlak působící na 1. válečkovou stolici při transformaci

Obr. 9 Tlak působící na 2. válečkovou stolici při transformaci od Sempertrans

Obr. 10 Tlak působící na 3. válečkovou stolici při transformaci

Obr. 11 Tlak působící na pás při transformaci

Prodloužení životnosti dopravního pásu je tak spojeno s velkou ekonomickou úsporou, především z důvodu, že cena nových dopravních pásů je značně vysoká, představuje často neplánované náklady a výměna dopravního pásu je většinou spojena s dalšími ekonomickými ztrátami v důsledku např. odstávky technologických zařízení.

Článek je součástí řešení grantového projektu VEGA 1/0922/12, VEGA 1/0184/12 a projektu VEGA 1/0036/12.

Literatura

[1] Marasová, D., Taraba, V., Grujić, M., Fedorko, G., Bindzár, P., Husáková, N.: Pásová doprava. Fakulta BERG, Technická univerzita v Košiciach, Košice 2006, ISBN 80-8073-628-6
[2] Demjan, J.: Návrh výpočtového modelu pre dopravné pásy hadicových dopravníkov pomocou metódy MKP. Diplomová práca. TU Košice F BERG 2009, 132 s.
[3] Fabian, M. – Spišák, E.: Navrhování a výroba s pomocí CA.. technologií. 1. vyd. Brno: CCB, 2009. 398 p. ISBN 978-80-85825-65-7.
[4] Fedorko, G. : Model dopravníka. In: Transport & Logistics: International journal. 2003, ISSN 1451-107X, s. 367-370.
[5] Stanová, E.: Mathematical Expression of the Wire Axis in Trihedral Strand of Steel Rope. In: TRANSPORT & LOGISTICS, No.14 (2008), Košice, s. 40–46, ISSN 1451-107X.
[6] Tittel, V. – Zelenay, M.: A comparison of die geometry in the drawing process. In: Vedecké práce MtF STU v Bratislave so sídlom v Trnave. Research papers Faculty of Materials Science and Technology Slovak University of Technology in Trnava. – ISSN 1336-1589. – Č. 26 (2009), s. 81–86
[7] Grujić, M., Ristović, I.: To What Extent The Number Of Conveyors Affects The Operating Efficiency Of Haulage Systems In Coal Mines. MPES 2004, A. A. Balkema, ISBN 04-1535-937-6, s. 553–556, Wroclaw, Poland