Page 1

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Dopravní a manipulační technika Nové trendy a technologie

Kurz zajišťuje:

Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní, Institut dopravy Národní strojírenský klastr, o.s.


INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Realizační skupina: Garant:

doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. e-mail: ales.sliva@vsb.cz

Lektoři:

doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Ing. Robert Brázda, Ph.D. doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Ing. Leo Boháč Ing. Kamil Skácel Ing. Jiří Kubeš Ing. Aleš Procházka

Recenzenti:

prof. Ing. Daniela Marasová, CSc. doc. RNDr. Adriana Eštoková, Ph.D. prof. Ing. Karel Bailotti, CSc.

© Slíva A., Brázda R., Fries J., Bortlík P., Boháč L., Skácel K., Kubeš J., Procházka A., 2010


Předmluva Otázkou přemísťováním zboţí a lidí se lidstvo zabývá odnepaměti a nutno dodat, ţe je spojeno s problematikou dopravy (přepravy), manipulace a skladování. Jedná se obecně o transmisi hmoty (event. osob) v čase a prostoru a to s minimálními (event. optimálními) náklady. V dnešní době se klade důraz na nové technologie a techniky vedoucí ke zvýšení výkonu, hledání nových alternativních zdrojů šetrnějších k ţivotnímu prostředí, i ve vztahu k dopravě (přepravě), manipulaci a skladování. Tyto technologie dokáţí např. sníţit spotřebu energie vynaloţenou na přemísťování, vyprodukovat spaliny téměř neškodné k ţivotnímu prostředí, realizovat samoregenerační schopnosti apod. Předloţená publikace předkládá nejnovější poznatky, studie a výzkumy realizované v tradičních oblastech jako např. pásová a důlní doprava, ale také dává nástin na řešení otázek spojených se skladováním hmoty, její fluidizací, tekutostí apod. Publikace nově zkoumá vyuţití nanomateriálů pro automobilový průmysl, zabývá se otázkami morfologie dopravovaných materiálů a tvorbě povrchových struktur při vibrační dopravě. Uvedená problematika je vysoce aktuální ve vědeckých studiích a je nejnověji zkoumána na zahraničních univerzitách (např. USA, Japonsko). V úvodu je představena problematika zkoumání nejnovějších poznatků z oblasti studia problematiky nanomateriálů, nových technologií zaměřených na dopravní a manipulační zařízení a vyuţití těchto technologií pro automobilový průmysl. Další kapitoly jsou věnovány zejména problematice tvorby povrchových struktur (fraktálů) práškových hmot při vibrační dopravě a výzkumu a popisu tvarovitosti částicových struktur. Velice zevrubně je popsána kapitola věnovaná provzdušňování (fluidizaci) problematických práškových částicových systémů a dává nástin řešení této problematiky pro odstranění poruch často se vyskytujících při skladování problematických práškových struktur. Problematika je rozšířena do oblasti charakteristiky vlivu tekutosti materiálu ve skladovacích systémech a alternativ jejich zlepšování. Způsoby dopravy pomocí pásových dopravníků, dopravníkových systémů, důlní dopravy a aspektů důlní dopravy jsou rozvedeny v následujících kapitolách. Uvedená problematika je tradiční pro dopravu především kusových a sypkých materiálů, zejména vytěţených nerostů, ale týká se také problematiky práškových struktur a granulovaných materiálů. Publikace je určena studentům, akademickým pracovníkům, pracovníkům VaV a zájemcům o oblast dopravy, přepravy a manipulace s materiálem.

doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D.


Summary Problems of transportation, handling and storage concerned with a motion of goods and people are solved from the point of human beings since time immemorial. The problems are connected with the transmission of mass/persons in time and space and with minimal/optimal cost. Today the emphasis is on new technologies and techniques to improve performance, finding new alternative sources of environmentally friendly, in relation to transport, handling and storage. These technologies can reduce energy consumption as spent on the motion, produce flue gas almost harmless to the environment, realize self-healing abilities, etc. This publication deals with the latest knowledge, studies and researches carried out in traditional areas such as conveyor and mining transport, but also gives us an background of the issues associated with the storage of materials, fluidization, flow properties, etc. The publication investigates issues the use of nanomaterials for the automotive industry, deals with issues on morphology of conveyed material and the formation of surface structures in the vibrational transport. The issues are highly topical in scientific studies, and most recently studied at universities abroad (e.g. USA, Japan). In the introduction chapter, the issues of latest investigates on the research field of nanomaterials, new technologies aimed at transport and handling equipment and the use of these technologies for the automotive industry are developed in the publication. Other chapters are largely devoted to creation the surface structures (fractals) of powder materials during transport and vibration research and description of morphology of particle structures. In detail, the chapter on aeration/fluidization problematic powder particle systems is described and gives an outline of the solution of this problem to eliminate defects often occurring during storage of powdered problematic structures.

The problem of fluidization is extended into the performance

characteristics of the liquid material in storage systems and alternatives for their improvement. Alternatives of transportation by belt conveyors, conveyor systems, mining, transport and mining transport aspects are discussed in subsequent chapters. The problems are traditional primarily for solid and transport bulk materials, especially minerals extracted, but it also concerns the issue of powder structured materials and granulated materials. The publication is intended for students, academics, R & D staff and others interested in the transport sector, transportation and material handling.

Assoc. Prof. AleĹĄ SlĂ­va, Ph.D.


Obsah KAPITOLA I. TECHNOLOGIE ZAMĚŘENÉ NA DOPRAV. A MANIPUL. ZAŘÍZENÍ ........ 9 Úvod ........................................................................................................................................ 9 1.1 Částicové systémy ............................................................................................................. 9 1.1.1

Úvod do problematiky studování nanomateriálů ............................................. 10

1.1.2 Vyuţívání nových progresivních materiálů v doprav. a manipul. technice..... 11 1.2 Oblasti vyuţívání nanotechnologií v automobilovém průmyslu ..................................... 13 1.2.1 Pneumatiky ..................................................................................................... 13 1.2.2 Nanokompozity v interiérech automobilů ........................................................ 15 1.2.3 Základní nátěry ................................................................................................. 17 1.2.4 Katalyzátory ...................................................................................................... 18 1.2.5 Palivové články s pouţitím nanotrubiček ......................................................... 19 1.2.6 Nanofluidy ...................................................................................................... 21 1.2.7 Tribologie-obnovování mazacích povlaků ....................................................... 22 1.3 Potenciál vyuţití nanotechnologií v automobilech, otázky ţivotního prostředí .............. 23 Reference .............................................................................................................................. 25 KAPITOLA II. TVAROVITOST A VÝZKUM MORFOLOGIE ČÁSTIC................................ 26 Úvod ...................................................................................................................................... 26 2.1 Měření tvarových parametrů metodou DIP ..................................................................... 26 2.2 Výsledky DIP .................................................................................................................. 27 2.3 Výpočet střední hodnoty tvarového parametru ............................................................... 28 2.3.1 Tvarové parametry ............................................................................................ 28 2.4 Klasifikace tvarů .............................................................................................................. 30 2.4.1 Měření frakcí materiálů .................................................................................... 31 2.4.2 Charakteristika tvaru částic ............................................................................... 34 2.4.3 Tokové vlastnosti látek ..................................................................................... 35 Závěr

……………………………………………………………………………………………………………………36

Reference .............................................................................................................................. 37 KAPITOLA III. TVORBA POVRCH. STRUKTUR PŘI VIBRAČNÍ DOPRAVĚ ................. 38 3.1 Základní části vibračních zařízení ................................................................................... 39 3.2 Povrchové struktury vzniklé při vibrační dopravě .......................................................... 42 3.2.1 Úvod do fraktální geometrie ............................................................................. 42 3.2.2 Povrchové struktury práškových materiálů ...................................................... 43 3.2.3 Vyhodnocovací prostředky ............................................................................... 50 Závěr ...................................................................................................................................... 53


Reference ............................................................................................................................... 55 KAPITOLA IV. TEKUTOST MATERIÁLU VE SKLADOVACÍCH SYSTÉMECH ............... 56 Úvod ...................................................................................................................................... 56 4.1 Systém klasifikace a hodnocení tekutosti prášků ............................................................ 56 4.2 Fluidizace prášků ............................................................................................................. 57 4.2.1 Fluidizace v gravitačním fluidizačním lůţku.................................................... 58 4.2.2 Fluidizace v rotačním fluidizačním lůţku ........................................................ 58 4.3 Studie a nejnovější výzkum při zlepšování tekutosti v dopravních systémech ............... 59 4.3.1 Mechanické a akustické uvolňovací systémy ................................................... 60 4.4 Pneumatické uvolňovací systémy .................................................................................... 60 Závěr ...................................................................................................................................... 64 Reference ............................................................................................................................... 66 KAPITOLA V. PROVZDUŠŇOVÁNÍ SVISLÝCH SKLADOV.SYSTÉMŮ............................. 67 Úvod ...................................................................................................................................... 67 5.1 Teorie vertikálních a horizontálních tlaků ....................................................................... 67 5.2 Teorie provzdušňování sypkých materiálů ...................................................................... 72 5.2.1 Určení tlakového spádu ve vrstvě sypkého materiálu ...................................... 74 5.2.2 Určení minimální fluidizační rychlosti ............................................................. 74 5.2.3 Odhad mezerovitosti ......................................................................................... 75 5.2.4 Tvarový faktor částic ........................................................................................ 75 5.2.5 Klasifikace fluidizovaných sypkých materiálů ................................................. 75 5.3 Experimentální činnost .................................................................................................... 77 5.3.1 Horizontální tlaky σ2 ......................................................................................... 77 5.3.2 Vertikální tlaky σ 1 ............................................................................................ 80 5.3.3 Určení úhlu vnitřního tření φe ........................................................................... 82 5.3.4 Aktivní a pasivní stav napjatosti ovlivňující vybrané tlakové teorie ................ 83 Reference ............................................................................................................................... 87 KAPITOLA VI. NOVÉ TECHNOLOGIE V OBLASTI PÁS. DOPRAVNÍKŮ ....................... 89 Úvod ...................................................................................................................................... 89 6.1 Rozdělení pásové dopravy ............................................................................................... 90 6.2 Teorie přenosu síly třením ............................................................................................... 92 6.3 Teorie pásové dopravy..................................................................................................... 95 6.3.1 Jednobubnový pohon ........................................................................................ 96 6.3.2 Dvoububnový pohon......................................................................................... 96 6.4 Výpočet pásových dopravníků ........................................................................................ 99 6.4.1 Dynamika pásového dopravníku při neustáleném provozu .............................. 99


6.5 Bubny a jejich výpočet .................................................................................................. 103 6.5.1 Výpočet dle Fuxy ............................................................................................ 103 6.5.2 Výpočet dle normy NTR 1020b...................................................................... 113 6.5.3 Reálné hodnoty zatíţení .................................................................................. 113 6.5.4 Problematika konstrukce bubnů...................................................................... 117 6.6 Případová studie - příklad výpočtu bubnu ..................................................................... 125 6.6.1 Kontrola hřídele .............................................................................................. 125 6.6.2 Sklon ohybové čáry ........................................................................................ 127 6.6.3 Kontrola náboje a přesahu .............................................................................. 128 6.6.4 Napětí v čele bubnu v místě svaru .................................................................. 130 6.6.5 Kontrola pláště bubnu ..................................................................................... 133 6.6.6 Grafická část ................................................................................................... 135 Závěr .................................................................................................................................... 141 Reference ............................................................................................................................... 143 KAPITOLA VII. VYUŢITÍ POZNATKŮ V DOPRAVĚ A MANIPULACI ........................... 145 Úvod .................................................................................................................................... 145 7.1

Ztráta přenosových schopností pohonu pásových dopravníků ……………………………145

7.2 Moţnosti zvýšení součinitele tření ................................................................................ 146 7.2.1 Keramika……. ................................................................................................. 148 Reference ............................................................................................................................... 148 KAPITOLA VIII. DŮLNÍ DOPRAVA A ASPEKTY DŮLNÍ DOPRAVY ............................ 153 Úvod .................................................................................................................................... 153 8.1 Dopravní komplexy pro těţbu černého uhlí .................................................................. 154 8.2 Problematika hřeblových dopravníků ............................................................................ 157 8.3 Pohony porubových dopravníků .................................................................................... 157 8.3.1 Pohon s řízením CST ...................................................................................... 157 8.3.2 Pohon s hydraulickou spojkou Voith s řízeným plněním ............................... 160 8.4 Rešení pluhových pohonů ................................................................................................. 161 8.4.1 Skladba pohonu I (pohon fy DBT) ................................................................. 162 8.4.2 Skladba pohonu II (pohon fy Ostroj) .............................................................. 164 8.4.3 Skladba pohonu III (pohon fy Halbach & Braun) .......................................... 165 8.4.4 Skladba pohonu IV (pohon fa Westfalia Becorit) .......................................... 166 8.4.5 Skladba pohonu V (pohon fy DORSTENER) ................................................ 169 Závěr ……………….. ............................................................................................................. 171 Reference ............................................................................................................................... 172


Ing.

KAPITOLA I. NOVÉ TECHNOLOGIE ZAMĚŘENÉ NA DOPRAVNÍ A MANIPULAČNÍ ZAŘÍZENÍ Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D.

Úvod Nové technologie pro dopravní a manipulační zařízení představují obrovský potenciál ve formě pouţití nových sofistikovanějších materiálů schopných odolat extrémnímu silovému zatíţení vystavených při dopravě osob a materiálů, přepravě a manipulaci s materiálem. Jedná se např. o design nových strojů a zařízení mající 10x větší pevnost, odolnost proti opotřebení, koroziodolné materiály, materiály schopné regenerace povrchu apod. Tyto materiály jsou mnohem šetrnější k ţivotnímu prostředí. Kapitola popisuje obecně částicové systémy se zaměřením na nanomateriály a následně vyuţití nanostrukturovaných materiálů pro obor dopravní a manipulační zařízení se zaměřením na dopravní průmysl. Rozšiřuje tak tolik potřebné nejnovější poznatky získané VaV do systému edukace a následně do praxe.

1.1

Částicové systémy Částicové systémy ve své podstatě představují jakési rozhraní mezi látkovými fázemi, tzn.

ţe se zde vyskytují všechny fáze látek při běţných podmínkách tj. pevná fáze (částice látky), kapalná fáze (forma vlhkosti) a především plynná fáze (výplň mezičásticového plynného prostoru). Částicové systémy (obr. 1.1) obecně lze rozdělit dle velikosti a charakteru od nanostrukturovaných hmot (jeden rozměr částice max. 100 nm), superjemných struktur (řádově jednotky m), jemných struktur (desítky m), prášků (do 100 m) aţ po partikulární hmoty (od 100 m do jednotek mm) a kusovité materiály (desítky mm a více). Chování partikulární hmoty je kromě vlivů okolního prostředí tj. např. vlhkosti, teploty, konstrukce skladovacího prostoru apod. a dalších nepředvídatelných okolností ovlivněno interpartikulárními vazbami. Tyto vazby jsou především dominantní směrem od velkých po jemné a nanostrukturované částice, u kterých jsou tyto vazby rozhodující. U kusovitých materiálů jsou především rozhodující abrazivní vlastnosti (tvrdost a křehkost materiálu apod.), kdeţto u partikulárních materiálů hrají prim 9


Kapitola I. Kapitola I.

Nové technologie zaměřené na dopravní a manipulační zařízení Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Dopravní a liniové stavby Autor: Ing.

adhezivní síly. Pro práškové materiály jsou charakteristické kohezivní síly a zvláště pak elektrostatické a kapilární síly pro superjemné a jemné prášky submikronového charakteru. Pro nanostrukturované materiály je typická přítomnost Van der Waalsových interpartikulárních sil, kde u těchto rozměrů jiţ nehraje roli velikost částic, ale jejich interpartikulární chování. Kusové materiály-adhezivní síly, abraze Superjemné a jemné prášky:Van der Wallsovy síly, electrostatické síly a kapilární síly Nanostrukturované materiály: Van der Waalsovy síly

Prášky-kohezivní síly Partikulární hmoty-adhezivní síly

1nm

10nm

100 nm

1m

10m

100m

1mm

1cm

Obr. 1. 1. Částicové systémy a jejich interpartikulární síly. Metody identifikace velikosti částic. Pozn. 1 Ångström Units (Å)=0,0001m

1.1.1 Úvod do problematiky studování nanomateriálů Nanomateriály v procesu vedlejšího produktu zpracování jsou známy mnoho století v podobě pouţívání různých nátěrů na keramiku, sklo a deskový podklad (vázy a keramika–Čína, obr. 1.3, 18. stol, čínská Lung Dynastie-částice zlata okolo 30 nm; obrazy renesance-Itálie apod.Carbon black-saze – obr. 1.2). Velice významná byla malířská technika způsobu kreslení barvou teple hnědého tónu připravovanou spalováním bukového dřeva (vznik sazí-tzv. bistr, obr. 1.2) pouţívaná především barokními mistry a to zejména v Itálii v 16. aţ 18. století. Bylo docíleno zvláštního rozmanitého odstínu světle hnědé-béţové aţ po temně hnědou. Zajímavý jev v minulosti byl také vyuţíván např. přidáváním nanočástic stříbra a zlata za účelem dosaţení jiného zbarvení při jiném spektrálním rozkladu světla na skle (jiné zbarvení při např. naplnění skla, osvitu apod., viz Lykurgovy poháry, starověký Řím, okolo 400 n.l., obr. 1.4).

10


Kapitola I. Kapitola I.

Nové technologie zaměřené na dopravní a manipulační zařízení Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Dopravní a liniové stavby Autor: Ing.

Obr. 1.3 Váza z dynastie Lung, červená-nanočástice zlata

Obr. 1. 2. Svatý Jeroným (Zdroj: Leonardo da Vinci)

Obr. 1.4. Lykurgovy pohárky [1]

1.1.2 Současné využívání nových progresivních materiálů v dopravní a technice se zaměřením na dopravní průmysl [2,3] Pro

dopravní

průmysl

představují

nové

technologie

v podobě

manipulační vyuţívání

nanostrukturovaných materiálů další z moţných nástrojů, jak pomoci inţenýrům zlepšovat designerské poţadavky ze strany spotřebitele. V současné době a blízké budoucnosti představuje dopravní průmysl nový obrovský potenciál růstu a rozvoje nových moţností vývoje ještě výkonnějších, bezpečnějších automobilů s nízkou spotřebou, emisemi, dokonalým designem a vyznačující se vysokou kvalitou jednotlivých dílů automobilu (obr. 1.5). Nanotechnologie a spolu související technologie ovlivní cca 60% veškerých výrobních procesů výroby automobilů, nákladních automobilů a autobusů v horizontu 10 let [12]. Nové technologie manipulace s nanočásticemi otevírají nové moţnosti vyrábět součásti z lepších výkonnějších materiálů, pouţívat nové mnohem účinnější technologie např. sniţování emisí účinnějšími katalyzátory apod. V rámci výroby nových součástek do motoru se otevírají netušené moţnosti vývoje modernějšího pohonu eliminující tření a ztráty, vyuţívání nových typů energií, sniţování hmotnosti zařízení apod. 11


Kapitola I. Kapitola I.

Nové technologie zaměřené na dopravní a manipulační zařízení Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Dopravní a liniové stavby Autor: Ing.

Tyto nové technologie v budoucnu ovlivní průmysl a zejména sníţí dopady na ţivotní prostředí, energetiku a další klíčová odvětví ekonomiky.

Bezpečnost Výkon

Nízká spotřeba Nízké emise včetně CO2

Design Bezpečnost

Kvalita

Obr. 1. 5. Základní poţadavky na automobily. První automobil ve střední Evropě-Kopřivnický President [4]

Jiţ v současné době se snaţí výrobci osobních automobilů vyuţít technologie, které dovolují zlepšit jízdní vlastnosti vozidla a zejména konstruovat automobily splňující přísnější právní předpisy na emisní limity pro provoz po pozemních komunikacích a splňující poţadavky na bezpečnost vozidla. Mezi nejdůleţitější a nejběţnější trendy v oblasti nanotechnologií a vyuţití pro automobilový průmysl je povlakování komponentů palivových systémů uhlíkatými nanotrubicemi, vyuţití nanokompozitů pro účinnější vyuţití katalyzátoru, vyuţití nano přísad do mazacích systémů, zajištění antizamlţovacích efektů, antikorozních povlaků a samoopravujících se povlaků apod. V nejbliţší budoucnosti se předpokládá vývoj palivových článků, inteligentních pneumatik, lehkých konstrukcí, vývoje senzorů pro automobily a dalších materiálů s tvarovou pamětí přizpůsobující se aktuálním poţadavkům a okolnímu prostředí. Budoucí nanocar automobil vybavený a sestrojený pomoci nanotechnologii bude bezpečnější, lehčí, rychlejší, sofistikovanější a mnohem šetrnější vůči ţivotnímu prostředí (obr. 1.6). 12


Kapitola I. Kapitola I.

Nové technologie zaměřené na dopravní a manipulační zařízení Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Dopravní a liniové stavby Autor: Ing.

Oblasti vyuţití nanotechnologií pro dopravní (automobilový) průmysl:  energie (solární a palivové články), skladování energií, katalyzátor s úsporou paliva  konstrukční materiály (niţší hmotnost, zvýšená pevnost , tvrdost, houţevnatost), vyuţívání poznatků

z technologií

konstrukce

nanomateriálů

(uhlíkaté

trubičky,

nanovlákna,

nanokrystaly, kvantové tečky), modelování a simulace, nanosenzory a nanooptika, nanomagnetizmus, nanobiofůze, nanoobvody a jejich architektura apod.  high-tech povlaky (tepelná ochrana, proti poškrábání, antikoroze, barevné efekty, odolnější proti UV záření) a samočisticí schopnosti (lotosový květ)  monitoring a inteligenční řízení, umělá inteligence (snímání a nastavování optimálních řídících systémů automobilu)  envinronment a recyklace

1.2 Oblasti vyuţívání nanotechnologií v automobilovém průmyslu 1.2.1 Pneumatiky Nanotechnologie v oblasti výzkumu a vývoje nových typů pneumatik hraje klíčovou roli, protoţe více neţ 25% hmotnosti pneumatiky je tvořeno nanočásticemi o velikosti 10 aţ 25 nm. Výzkum v této oblasti můţe vést především ke zlepšení pevnosti pneumatik, odolnosti proti opotřebení a zlepšení přilnavosti k vozovce vzhledem k podmínkám prostředí. Předpokládá se vyuţití a modifikace materiály SiO2 a SiC pro zlepšení těchto uvedených vlastností. První vlaštovkou v této oblasti je firma LANXESS, která vyvinula speciální látku Nanoprene pouţívanou do pryţové části běhounu pneumatiky [3]. Pouţitím této látky do pneumatiky dochází ke sníţení opotřebení coţ má vliv zejména na ţivotní prostředí. Obvykle dochází vlivem opotřebení pneumatik k jejich úniku do okolního prostředí a silnou kontaminaci ţivotního prostředí. Opotřebení pneumatiky je spojeno s přilnavostí pneumatiky k povrchu vozovky a valivého odporu pneumatiky a neexistuje varianta mít pneumatiku pro automobil s nízkou spotřebou, spolehlivostí na suchém a mokrém povrchu a pneumatiku, která má nekonečnou ţivotnost. V případě pneumatik se jedná o základní jev- zvětšování povrchu pneumatik vlivem strukturovaného povrchu pneumatik z nanočástic, dochází ke sníţení valivého odporu vozidla a to má za následek sníţení spotřeby a zvětšení ţivotnosti pneumatiky

13


Kapitola I. Kapitola I.

Nové technologie zaměřené na dopravní a manipulační zařízení Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Dopravní a liniové stavby Autor: Ing.

Solární panely

Antizamlţu-jící efekty skla

Elektrokeramika

Senzory

Změna barvy karoserie

Antireflexní vrstva

Palivové vstřikování Katalyzátor

Tribologické povlaky Antimlhové efekty Palivové články, baterie

Nanočástice v pneumatikách

Samočisticí povlaky

Polymerní nanokompozity

Antikorozivní nátěry

Obr. 1. 6. Uţití nanotechnologie v automobilech [5]

Pouţití speciální technologie výroby povrchu pneumatik z nanočástic polymerizovaného styrenu a butadienu s příměsí SiO2 a SiC vytvoří jádra ukotvené do povrchu. Pouţití křemíku způsobí sníţení valivého odporu a přilnavost povrchu za mokra. To se v konečném důsledku projeví v odolnosti proti opotřebení. Aplikace těchto suplementů do tradiční výroby pneumatik je zcela jednoduché, nicméně samotný postup, načasování, mnoţství včetně technologie, optimalizace celého procesu je ve fází vývoje. Představme

si

pneumatiku

budoucnosti-vyrobenou

z

nanouhlíkatých

trubiček

s nekonečnou ţivotností a v podstatě s moţností samoopravitelnosti. Samozřejmě, pak by byla tato pneumatika také mnohem pevnější neţ vozovka a vozovka by vyţadovala stejnou úpravu 14


Kapitola I. Kapitola I.

Nové technologie zaměřené na dopravní a manipulační zařízení Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Dopravní a liniové stavby Autor: Ing.

povrchu a to z uhlíkatých nanovrstev. Existuje zde také moţnost chemické reakce vrchní vrstvy vozovky s všudypřítomným CO2 a moţnost povrchového samoopravování v případě poškození vozovky díky vnějším vlivům. Nanotechnologie jsou také pouţitelné v procesu změny barvy např. pneumatik na bázi přidávání suplementu siliky do základního stavebního prvku pneumatik-uhlíku. 1.2.2

Nanokompozity v interiérech automobilů Obecně nanokompozity jsou látky sloţené ze dvou a více komponentů. Jeden komponent

této látky je nanomateriál o velikosti řádově jednotek či desítek nanometrů. Tyto nanočástice jsou pevně ukotveny v inertní matrici druhého kompomentu. Obvykle tato matrice má jiné vlastnosti oproti nanočásticím a cílem je tyto vlastnosti vylepšit díky odlišným vlastnostem nanočástic (obr. 1.7). Nanočástice pak hrají dominantní roli při převaze částic díky obrovskému potenciálu povrchové aktivity-vysoký poměr vnitřních povrchových atomů. Dokáţí zcela změnitvylepšit vlastnosti materiálu tvořící matrici, přičemţ je nutno zdůraznit nutnost pouze malého mnoţství tohoto materiálu. Nanokompozity v automobilovém průmyslu představují obrovský potenciál a to především z důvodu toho, ţe se jedná o polymerní látky s nízkou hmotností. Jedná se v podstatě o plasty vyztuţené nanostrukturovanými částicemi. Nanokompozity jsou tvořeny základními typy nanoplničů: jílové plniče (nízké náklady) a uhlíkaté nanoplniva (vysoké náklady)-nanovlákna a nanotrubičky. Unikátní kombinace je tvořena nanoplnivy-jíly s termoplastickými materiály a uhlíkem s termoplasty a termosety. Tyto kombinace zajistí specifické unikátní vlastnosti materiálů. Jestliţe se zabýváme otázkou proč právě pouţít nanokompozity v automobilovém průmyslu, odpověď je na snadě, nanokompozity dokáţí uspořit cca 7 aţ 21% hmotnosti stejných konstrukcí, poskytnou dokonalejší vzhled materiálům, lepší tuhost konstrukce, lepší tepelnou stabilitu, zvýšenou houţevnatost materiálu, zlepšení kvality povrchu a lepší tuhosti pouţitých materiálů. Významnou poloţkou je niţší hořlavost materiálu a zvýšení trakčních vlastností vozidla.[6] V současné době se klade velký důraz na polyolefíny-polyethylen a polypropylenkomerčně nejpouţívanější polymery. Jejich vlákna jsou pouţitelná pro plniče nanokompozitů a jsou charakteristická tím, ţe jsou chemicky odolná, lehká, ekonomická a zcela funkční pro nanokompozity. Tyto látky jsou charakteristické především úsporou hmotností a jsou pouţitelné pro vnitřní interiér vozidla. Jsou chemicky odolné a tepelně stálé.

15


Kapitola I. Kapitola I.

Nové technologie zaměřené na dopravní a manipulační zařízení Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Dopravní a liniové stavby Autor: Ing.

Uhlíkatá nanovlákna

Pevnost Trakční schopnosti

Změna elektrického náboje

Teplotní stálost

Nanojíly

Uhlíkatá nanovlákna

Obr. 1. 7. Uţití nanoplniv pro automobilový průmysl

Nanokompozity jsou vhodné zejména v interiéru vozidla, kde často nahrazují plasty. Nanokompozity v kombinaci nylon vs. jíly nanokompozity představují výzvu v automobilovém průmyslu (viz. tab. 1.1). Stejně jako pryskyřicové matrice a nanoplniva. Nanokompozity představují obrovskou výzvu i přes svou vysokou cenu. Dokáţí totiţ zvýšit pevnost dílů, tím také bezpečnost pasaţérů ve vozidle při zachování rozměrové stability, elektrické vodivosti a odolnosti proti hoření. V současné době je kladen velký důraz na rozvoj nylon 6 nanokompozitů (Unitika, Japonsko, viz. tab. 1.1). Nanojíly dokáţí vytvořit silnou nepropustnou bariéru proti postupu molekul plynu a to v kombinaci s matricí pryskyřice o tloušťce pouze 1nm, coţ je vrstva menší neţ vlnová délka a tudíţ nebrání prostupu světla. V dnešní době nanokompozity představují zlepšení vlastností a to především zvýšení tuhosti, tepelné odolnosti a zajištění odolné povrchové vrstvy vrchního laku vozidla zajišťující stálý lesk. Jak vyplývá z tab. 1.1 nanokompozity nacházejí široké uplatnění s ohledem na širokou nabídku maticových pryskyřic. Nové technologie v budoucnu se budou ubírat směrem nanostrukturních křemíků, uhlíkových nanotrubiček a keramických materiálů [6].

16


Kapitola I. Kapitola I.

Nové technologie zaměřené na dopravní a manipulační zařízení Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Dopravní a liniové stavby Autor: Ing.

Tab. 1. 1. Přehled nanokompozitních suplementů pro automobilový průmysl Výrobní značka, dodavatel

Matricová pryskyřice

Nano-plnivo

Určeno pro:

Bayer AG (Durethan LPDU)

Nylon 6

Organický jíl

Fólie

Clariant

PP

Organický jíl

Obaly

Creanova (Vestamid)

Nylon 12

Nano-trubičky

Elektricky vodivé části

GE Plastics (Noryl GTX)

PPO/Nylon

Nano-trubičky

Lakované díly automobilu

Honeywell (Aegis)

Nylon 6 Barrier Nylon

Organický jíl Organický jíl

Mnohanásobné vyuţití sklo a vrstvy

Hyperion

PETG, PBT PPS, PC, PP

Nano-trubičky

Elektricky vodivé části

Kabelwerk Eupen, Belgie

EVA

Organický jíl

Dráty a lana

Nanocor (Imperm)

Nylon 6 PP Nylon MDX6

Organický jíl Organický jíl Organický jíl

Mnohanásobné vyuţití Modelování PET láhve od piva

Polymeric Supply

Nenasycený polyester

Organický jíl

Lodní a námořní doprava

RTP

Nylon 6, PP

Organický jíl

Mnohanásobné vyuţití, elektricky vodivé části

Showa Denko (Systemer)

Nylon 6 Acetal

Jíl, slída Jíl, slída

Odolnost proti ohni Mnohanásobné vyuţití

Ube (Ecobesta)

Nylon 6, 12 Nylon 6, 66

Organický jíl Organický jíl

Mnohanásobné vyuţití Palivové systémy aut

Unitika

Nylon 6

Organický jíl

Mnohanásobné vyuţití

Yantai Haili Ind. & Commerce of China

UHMWPE

Organický jíl

Trubky odolné proti zemětřesení

Zdroj: Bins & Associates, Sheyboygan, Wis.

1.2.3 Základní nátěry Základní sloţkou nátěrů jsou pigmenty a ty jiţ samy o sobě obsahují superjemné částice povaţované za nanočástice. Pro černou barvu lze pouţít nanočástice „Carbon Black―, pro odstíny červené oxidy ţeleza a je nutno si uvědomit, ţe obecně nanočástice pod 200 nm jsou transparentní a nanočástice nad 200 nm difraktují světlo. Další jev vyuţitelný v oblasti základní barvy automobilu je změna uspořádání nanočástic v elektrickém poli a je tudíţ měnit povrchovou barvu vozidla. Pro pouţití čistící vrchní krycí vrstvy je pouţitelná amorfní silika s částicemi okolo 12-15 nm (obr. 1.8). Tyto nátěry lze pouţít pro voděodolné nátěry (lodě apod.), nicméně velká nevýhoda je jejich cena, která je o cca 20-50% vyšší oproti klasickým nátěrům. 17


Kapitola I. Kapitola I.

Nové technologie zaměřené na dopravní a manipulační zařízení Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Dopravní a liniové stavby Autor: Ing.

Obr. 1. 8. Uplatnění nátěru na dveřích automobilu [7].

Nátěry na karoserii automobilu zabezpečují samočisticí efekt lotosového květu tím, ţe voda rychle odtéká z povrchu a bere sebou veškeré nečistoty. Nanovrstva zajistí vysoký lesk, UV stabilitu, odolnost proti jemnému mechanickému poškození, chemikáliím, solím apod. Je nutno ještě zmínit významný efekt uzavírání pórů laku automobilu a neutralizování náboje karoserie automobilu. Toto je zcela podstatné, protoţe často dochází vlivem nabití povrchu nechráněného vozidla k přilnutí kovového mikroskopického prachu a moţnost tvorby potenciální rzi automobilu. Vyšší koncentrace nanočástic se vyskytuje při konstituci nátěru nano vrstvy skel automobilu - zvyšuje se tím hydrofobnost a lepší stékavost při dešti. Efekt se projevuje zvláště při vyšších rychlostech, kdy kapky deště „utíkají“ ze skla. Další moţné typy transparentních nanonátěrů se pouţívají např. pro chromované a kovové součásti vozidel, plastové součásti-způsobují dlouhodobé oţivení povrchu vozidel. Zcela nová technologie průhledných nátěrů nachází nyní uplatnění proti zamlţení předních skel automobilu. Technologie je zaloţena na principu vytvoření průhledné tenké nanovrstvy na bázi uhlíkových nanotrubiček na vnitřní straně skla automobilu [8]- dokonalé odporové těleso, kde se ihned přivádí teplo ze zdroje 12V instalovaného v automobilu. 1.2.4 Katalyzátory Katalyzátor je zařízení, pomocí něhoţ se realizují chemické procesy, které transformují některé škodlivé látky na látky méně škodlivé pro lidský organismus nebo ţivotní prostředí. Dochází tím k výraznému sníţení emisí NOx, CO a HC (urychlení chemické reakce). V současné době se pouţívá v automobilech jako katalyzátor platina, rhodium a paladium. 18


Kapitola I. Kapitola I.

Nové technologie zaměřené na dopravní a manipulační zařízení Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Dopravní a liniové stavby Autor: Ing.

Jedná se o látky velice drahé a nanotechnologie nabízí velice účinné řešení sníţení mnoţství těchto látek pro pouţití v současných katalyzátorech. Princip pouţití nanočástic drahých kovů spočívá k pokrytí plochy katalyzátorů. Protoţe se jedná o nanočástice, je zapotřebí podstatně méně materiálu vzhledem k obrovské povrchové aktivitě nanočástic pro nutnost proběhnutí reakce. Zpočátku byli výrobci skeptičtí k dané technologii z důvodu, ţe při vysokých teplotách výfukových plynů (okolo 1000°C) dochází k aglomerací částic a tím ke sniţování účinnosti reakce, nicméně vhodným ukotvením samotných nanočástic na keramický kulovitý povrch řádově větší částice a strukturou nanočástic lze zabránit narůstáním částic. Jedná se o významný posun ke zmenšení spotřeby těchto drahocenných kovů (řádově aţ o cca 50%-můţe se projevit sníţením ceny) a sníţením zatíţení pro lidský organismus a ţivotní prostředí, bereme-li v úvahu, ţe tyto kovy můţou vyvolat různé typy alergie a astmatu.

1.2.5 Palivové články s použitím nanotrubiček Palivový článek patří mezi zařízení, které je schopno vytvářet elektrickou energii na základě elektrochemické reakce realizované v tomto zařízení. Zařízení se skládá z elektrod-anody a katody, kde do anody se dodává palivo a okysličovadlo do katody (kyslík O2), přičemţ prostory obou elektrod jsou odděleny a mezi nimi se nachází elektrolyt. Na katodě se kyslík redukuje na jeho aniony (O2-), které pak se stávají chemicky aktivní a ionty H+. V rámci palivového článku zůstávají elektrody při reakci bez významného opotřebovávání a tudíţ jsou charakteristické vysokou ţivotností. Pro materiál se v současné době pouţívá v moderních technologiích stále více elektrod zhotovených z uhlíkových nanotrubiček nanopovlakované platinou nebo palladiem s velikostí částic okolo 3nm. Vlivem pouţití nanomateriálu dochází ke sníţení potřebné teploty k vývinu reakce (teplota okolo 80°C). Cílem je pouţití cca 20g platiny na výkon článku 100 kW. Chemické reakce na anodě: + Pt , Pd H2   2H +2e

Chemické reakce na katodě: O2+4H++4e-  2H2O Pt , Pd

19


Kapitola I. Kapitola I.

Nové technologie zaměřené na dopravní a manipulační zařízení Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Dopravní a liniové stavby Autor: Ing.

Vodík

e-

e+

-

+

H2

O2

Vzduch

H+ . H2O Vzduch+Voda

Anoda (Pt, Rd)

Elektrolyt

Katoda (Pt, Rd)

Obr. 1. 9. Palivový článek nanotrubičkovými uhlíkovými elektrodami povlakované platinou nebo paladiem [9]

V současné době se realizuje průzkum technologie sniţování mnoţství platiny na elektrodách. Nanášení částic platiny se realizuje pod tlakem společně v prostředí argonu a výsledná vrstva je silná pouze několik atomů (obr. 1.10). Tato technika přispívá k sníţení mnoţství platiny katalyzátoru a zvýšení dostupnosti pro široký rozsah odběratelů.

Obr. 1. 10. Povrch elektrody tvořený nanotrubičkami povlakovanými částicemi platiny [10].

20


Kapitola I. Kapitola I.

Nové technologie zaměřené na dopravní a manipulační zařízení Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Dopravní a liniové stavby Autor: Ing.

1.2.6 Nanofluidy [11] Nanofluidy sebou přinášejí netušené moţnosti na poli rozvoje koloidní suspense nanočástic o velikosti 1 aţ 100 nm v základním médiu. Unikátní vlastnosti odvodu tepla kapalin jsou zde posíleny vlivem výskytu nanočástic. Pouţití je moţné především pro aplikace chlazení výroby, pro chemické a farmaceutické firmy, lečebné postupy, kosmetiku, atd. Uplatnění pak lze nalést především v oblasti letecké a vesmírné techniky, chemického inţenýrství, elektrotechniky, strojírenství, jaderné techniky apod. Nanomateriál rozptýlený v médiu má svou vlastní povrchovou chemii a je schopen interagovat s biomolekulami. Tyto nanočástice mohou být nositeli receptorů pro celou řadu bioagentů pouţívaných např. proti bioterorismu pro detekci malého mnoţství látek. Nanofluidy (tekutiny s částicemi v nano rozměru) představují další potenciál v rámci vyuţití transformace tepla. Jedná se o vyuţití nanočástic v chladícím médiu, kdy dochází k lepšímu přenosu tepla a lepší tepelné vodivosti. Částice jsou rozptýleny rovnoměrně, nedochází k sedimentaci a dokáţí společně s médiem vytvořit stejnorodou sloţku. Materiál částic je nejčastěji pouţit jako vodič se skvělou teplenou vodivostí- měď apod. Kombinace zlepšení chladících a mazacích schopností v rámci pouţití fluidů je řešením budoucnosti pro nové high-tech oleje a mazadla. V minulosti často docházelo k vývoji chladících a mazacích emulzí pro automobilové motory a průmyslové zařízení, nicméně se zde vyskytl problém s velikosti těchto mikročásteček v řádech mikrometrů. Tyto částice byly leckdy viditelné pouhým okem a sedimentovaly na dno potrubí a nádrţí nebo leckdy utvářely film na stěnách zařízení. Tyto částice způsobovaly sekundárně opotřebení rotačních součástí. Nanočástice dispergované ve vhodné kapalině dokáţí vyřešit tyto problémy. Nanofluidy jsou tvořeny nejčastěji nanočásticemi uhlíku, mědí a oxidu měďnatého v mediu-oleji, vody nebo např. v automobilech směsí vody a ethylenglykolu. Nejnovější výzkumu z této oblasti ukazují na moţnost ohromného zvětšení vedení tepla aţ o 15% přidáním 3% nanočástic oxidu měďnatého k ethylenglykolu (Argone National Laboratory, USA). Překvapení ovšem nastalo, kdyţ pouhé 0,3% 10 nm kulových částic čisté mědi bylo přidáno k ethylenglykolu a došlo ke zvětšení kapacity přenosu tepla o 40%. Nejdůleţitější ovšem je samotná technologie míchání částic s médiem. Byla vyzkoumána problematika míchání zaloţeného na kondenzaci plynného oxidu kovu do samotných částic o průměru 30-50 nm a následného promíchání se samotným médiem. Další metoda je zaloţena na prvotní tvorbě nanočástic v základním mediu a pak

21


Kapitola I. Kapitola I.

Nové technologie zaměřené na dopravní a manipulační zařízení Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Dopravní a liniové stavby Autor: Ing.

přimíchávání do samotného nosného média. Tato metoda je méně nákladná, nicméně je zapotřebí velké mnoţství média. Existuje jednoduché vysvětlení činnosti nanočástic v rámci fluidů:  zvětšení plochy odvodu tepla pouţitím nanočástic a zvýšení tepelné kapacity samotného média,  zlepšení odvodu teploty média,  zvýšení interpartikulárních kontaktů (kolize částic s médiem)  turbulentní charakter média a nanočástic,  zlepšení mazacích schopností a chladícího výkonu. Pouţití nanofluidů do automobilů zlepší chladící schopnosti samotného motoru. Jedná se o zajištění lepšího odvodu tepla z míst teplejších do míst chladnějších např. automatická převodovka apod. 1.2.7 Tribologie-obnovování mazacích povlaků, obnovování povrchových vrstev Tribologie a nanomateriály představují novou výzvu v procesu vylepšení vlastností a schopností regenerace materiálů. Jedná se o cílené dopravování nanomateriálů v zapouzdřené podobě do místa poruchy povrchu (mikrokapsle). Tímto způsobem se dají opravovat silně poškozené nátěry s tendenci koroze, plasty v závislosti na okolním prostředí. Princip pouţití těchto materiálů dovoluje úplné zapouzdření poškozeného místa. Kromě toho dochází k ţádoucí chemické opravě poškozeného povrchu pouze v daném kritickém místě na základě cílené dopravy na kritické místo. Proces opravy povrchu se realizuje pomocí mikrokapslí naplněných tekutým monomerem a celý tento systém se realizuje v médiu-katalyzátoru-kde jsou tvořeny strukturální polymerní matrice schopné realizovat proces polymerace-obnovy povrchu. V případě poškození povrchu, na kterém se objevují praskliny, dojde k iniciaci protrţení mikrokapsle a uvolnění polymeru „tzv. uvolnění léčivé látky― do poškozeného místa (resp. roviny, kde dojde ke vzlínání látky). Následně „léčící― monomer reaguje s katalyzátorem, spouští se proces polymerace, tvorby vazeb a uzavření poškozeného povrchu (obr. 1.11).

22


Kapitola I. Kapitola I.

Nové technologie zaměřené na dopravní a manipulační zařízení Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Dopravní a liniové stavby Autor: Ing.

Obr. 1. 11. Mechanismus opravy poškozeného povrchu [11].

1.3 Potenciál vyuţití nanotechnologií v automobilech, otázky ţivotního prostředí Automobilový průmysl v České republice dosahuje přibliţně 10% HDP, podíl v celkové průmyslové výrobě je asi 20%, vývoz činí 17%. V České republice se vyrobilo za rok 2009 1 125 000 aut a to především díky výrobcům Škoda Mladá Boleslav, TPCA Kolín a HYUNDAY Nošovice. Nicméně je zapotřebí si uvědomit, ţe v ČR se vyrábí spousta dílů pro zahraniční automobily (světla, těsnění apod.). Automobilový průmysl představuje velký potenciál a v ČR velkou konkurenceschopnost pro zkvalitňování a vylepšování vlastností jednotlivých dílů na bázi implementace nejnovějších výzkumů z oblasti nanotechnologií zaměřených na automobilový průmysl [12]. 23


Kapitola I. Kapitola I.

Nové technologie zaměřené na dopravní a manipulační zařízení Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Dopravní a liniové stavby Autor: Ing.

V současné době jde především o vyuţívání nanokompozitových dílů v interiérech luxusních automobilů (General Motors) pro sníţení celkové hmotnosti a zlepšení kvality povrchu (sklo ošetřené nanočásticemi polypropylenu, ušlechtilé polymery, montmorilonitové jílové nanočástice apod.). Co se týče vlivu na ţivotní prostředí, v minulosti se tento vliv týkal především uvolňování nanočástic při montáţi automobilů, při stříkání barev, obrábění součástí apod. Další významným faktorem je uvolňování nanočástic v průběhu ţivotnosti automobilu-opotřebení pneumatik okolo komunikací, únik katalytických částic do ţivotního prostředí apod. Tyto částice mohou zcela negativně (těţké kovy nanočástic) ovlivnit ţivotní prostředí a mít zásadní vliv na lidský organismus a to v negativním smyslu. Díky svému rozměru a svým aktivitám (povrchovému potenciálu, interparkulárním silám) ovšem tento vliv je mnohem dominantnější uţ několik staletí, neţ si dokáţeme představit a to z toho důvodu, ţe donedávna jsme nebyli schopni tyto částice detekovat. Nanočástice mohou pronikat do lidského organismu různými způsoby a narušit strukturu DNA. To můţe být příčinou např. zhoubného nekontrolovatelného bujení, vývoj dalších chorob blízkých mutací organismů a nemocí z ozáření. Nanočástice zafixované do nosné matrice (nanokompozity) nepředstavují ţádné riziko, protoţe jsou pevně zakotvené v matrici. Velmi velké riziko nastává při technologiích s uhlíkovými nanovlákny a nanotrubicemi, operace s nimi vyţaduje zvýšenou pozornost společně s nanosférickými kovovými částicemi. U nanočástic nehraje velkou roli hmota, ale aktivní povrch částic.

24


Kapitola I. Kapitola I.

Nové technologie zaměřené na dopravní a manipulační zařízení Autor: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. Dopravní a liniové stavby Autor: Ing.

Reference [1] [2]

www.chemie.hu-berlin.de/agrad/publications/Lycurgus.pdf Helmut Kaiser Consultancy

[3]

www.nanowerk.com/news/newsid=2980.php

[4]

www.prasident.stylove.com/

[5]

www.ridelust.com/category/maserati/page/2/

[6]

www.ptonline.com/articles/200110fa3.html

[7]

Kurt Olson, PPG

[8]

www.odbornecasopisy.cz/res/pdf/36284.pdf

[9]

www.cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Fuell_cell.jpg

[10] www.princeton.edu/~chm333/2002/spring/FuelCells/Catalysts.shtml [11] www.emich.edu/public/coatings_research/smartcoatings/related_articles/NewParadigm.pdf [12] www.advantageaustria.org/cz/events/ASC-Automotive-Tschechien-2009.cs.jsp?filtertyp=

25


Kapitola II. Tvarovitost a výzkum morfologie částic Autor: Ing. Jiří Kubeš

2

Úvod Morfologie (tvarovitost) je nauka o tvarech, jak u organismů, tak i v rámci geologického sloţení. Popisuje tedy povrch těles, hmot, ale i rostlin a tvarů minerálů. Z pohledu identifikace geometrických vlastností sypkých hmot je morfologie důleţitá z pohledu zkoumání opotřebení dopravních, manipulačních a skladovacích systému. Identifikace se provádí nejmodernějšími mikroskopickými přístroji (SEM, AFM, ESEM apod.) a to pro oblasti zkoumání mikrometrických a nanometrických struktur. Identifikace oblasti větších částic okem viditelných se realizuje klasickými mikroskopickými přístroji s malým rozlišením. V rámci identifikace se jedná o odchylku od ideálního tvaru částice-koule [1] charakteristickou jediným parametrem a vhodným přístupem pro modelování tvarových struktur. V současné době pro nanometrické struktury se ovšem upřednostňuje částice tvaru ideálního elipsoidu a to zejména pro popis povrchových energií.

2.1 Měření tvarových parametrů metodou DIP Metoda digitálního zpracování obrazu (digital image processing - dále jen DIP) vyuţívá k měření přístroj typu Quantimet Q600, výrobcem je firma Leica Cambridge. K tomuto zařízení je připojena 3 - čipová CCD videokamera. Kamera má rozlišení 736 x 574 pixelů a je připevněna k rámu třemi A/D konvertory s 8 - bitovými rozhraními. Pro fotografování, je toto měřící zařízení vybaveno světelnými zdroji, počítačem a sadou softwaru, který slouţí pro analýzu obrazu [6]. K analýze obrazu souhrnného vzorku je nutné mít obraz nahromaděných částic. Nejdříve přemístíme získané částice na vzorkový podnos a umístíme jej pod videokameru. Podrobnosti o obrazových akvizicích procesu a dalších procedurách kalibrování viz [4]. Obraz nahromaděných částic DIP je vykonán k tomu, aby bylo moţné rozlišovat nahromaděné částice na pozadí. To zahrnuje zvýšení kontrastu mezi částicemi, pozadím a nálezem hranice kaţdé částice.

26


Kaţdá částice má své charakteristické hranice, jejich geometrie je analyzovaná k tomu, aby byly naměřeny rozměry a formující se charakteristické rysy částic. Po dokončení, jsou měřené výsledky uspořádány v tabulkovém souboru pro statistickou analýzu a následné zpracování.

2.2 Výsledky DIP Z dvourozměrné projekce částic jsou zachycená data pro analýzu obrazu. Tloušťky a objemy částic nejsou přímo dosaţitelné z výsledků DIP. Tato metoda odhadu tloušťky a objemu částic byla vyvinuta jiţ dříve [4]. Je zaloţena na předpokladu, ţe nahromaděné částice ze stejného zdroje by měly mít více či méně stejné tvarové charakteristické rysy. V rámci předpokladu je moţné tloušťku částice odhadnout z její šířky [6]: tloušťka =   šířka

(2.1)

 - je parametr závislý na shluku částic Z této rovnosti tloušťky částice můţe být přibliţně určen objem částice: objem = tloušťka  plocha =   šířka  plocha

(2.2)

Spojením objemu všech částic a vynásobení hustotou , získáme rovnost pro celkovou masu souhrnného vzorku M, ta je odvozená takto [6]:

(2.3)

Kde: n = celkový počet částic Řešením výše uvedené rovnosti, je :

(2.4)

Hodnota  je ve skutečnosti malá k poměru šířky souhrnného vzorku. Dosadíme tedy hodnotu  do vztahů (2.1) a (2.2), pak získáme tloušťku a objem kaţdé částice.

27


Kapitola II. Kapitola I.

Tvarovitost a výzkum morfologie částic Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Jiří Kubeš Autor: Ing.

2.3 Výpočet střední hodnoty tvarového parametru Vzorek sypké hmoty se skládá z mnoha částic. Pro určení tvarového souhrnu parametrů, je nejdříve nezbytně nutné změřit tvarový parametr kaţdé částice. Po měření tvarových parametrů všech částic je otázkou jak vypočítat střední hodnotu tvarového parametru pro celkový vzorek. Zde je moţné uvaţovat o minimálně dvou moţnostech, jak určit střední hodnotu. První moţností vypočtení střední hodnoty, je pomocí aritmetického průměru tvarových částic [6]: (2.5) kde kaţdá hodnota tvarového parametru, odvozeného z částice zajišťuje rovnováhu bez ohledu na velikost částice.

(2.6)

2.3.1 Tvarové parametry Poměr vločkovitosti Poměr vločkovitosti je definován jako poměr tloušťky a šířky. Je to tak zvaný poměr roviny povrchu [1]. Ačkoli tloušťka není přímo změřitelná metodou DIP, hodnota  určená dle (2.4) je ve skutečnosti střední hodnota malé tloušťky k poměru šířky souhrnného vzorku. Z toho důvodu se  pouţívá jako poměr vločkovitosti. Poměr prodlouţení Poměr prodlouţení je definován jako poměr délky k šířce částice. Hodnota je získaná z DIP metody.

Kulovitost Kulovitost je obvykle definovaná jako poměr povrchu koule mající stejný objem jako částice stejného povrchu [1]. Z toho důvodu musí být povrch přepočítáván z trojrozměrné tvarové analýzy. Tento poměr nemůţe být definován ţádnými současnými nebo ţádnými jinými 2D DIP metodami. Proto je uţívána alternativní definice kulatosti, definice navrţená od Krumbeina [5]. Dostáváme tedy vzorec (2.7) [6]:

28


Kapitola II. Kapitola I.

Tvarovitost a výzkum morfologie částic Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Jiří Kubeš Autor: Ing.

(2.7)

Dosazená hodnota tloušťky je stanovena ve vztahu (2.1), nyní můţe být kulovitost vypočtena jako:

(2.8)

Kulovitost je dána , délkou a šířkou, která pak můţe být hodnocena z DIP výsledků. Tvarový faktor Tvarový faktor je běţně uţívaný index, ale kaţdý vědec pro něj má jiné definice, proto také popisujeme jiné aspekty tvaru [1,2,3]. V současné době vyuţíváme vztah přejatý od Kuo et ala. [3]. Vztah je definovaný jako [6]:

(2.9) Nahrazujeme tedy „tloušťka =  x šířka“, z výše uvedené rovnosti dostáváme:

(2.10)

Poměr konvexity Kvůli potíţím zavedením trojrozměrné tvarové analýzy, je poměr konvexity hodnocen z dvourozměrné projekce částice, je zobrazen na Obr.2.1 a definovan vztahem (2.11). (2.11) Kde konvexní oblast je oblast minimální konvexní hranice ohraničující částice.

29


Tvarovitost a výzkum morfologie částic Dopravní a liniové stavby

Kapitola II. Kapitola I.

Autor: Ing. Jiří Kubeš Autor: Ing.

plocha plocha konvexity

dvoudimezální průmět částice hranice obvodu částice

Obr. 2. 1. Schéma plochy a plochy konvexity částice [6]

Plocha nezaplněnosti Plocha nezaplněnosti je další míra konvexity, která je také hodnocena z dvourozměrné projekce částice 3: (2.12)

Obr. 2. 2. Efekt konvexity na částicovém uskupení [6]

2.4

Klasifikace tvarů

a) Materiálové charakteristiky částice  porézní/neporézní, pevnost…

30


Tvarovitost a výzkum morfologie částic Dopravní a liniové stavby

Kapitola II. Kapitola I.

Autor: Ing. Jiří Kubeš Autor: Ing.

b) Měrná hustota látky (solid density) ρs  hustota jedné částice c) Součinitel zaplnění (packing fraction) η  objem pevných částic d) Mezerovitost (void fraction) ε = 1- η  podíl volného prostoru v loţi e) Distribuce velikosti částic (PSD)  charakteristický rozměr částice f) Distribuce tvaru částic  sféricita, angularita  konkavita – vydutost částice (do středu částice)  konvexita – vyklenutí částice směrem ven (od středu částice)

2.4.1 Měření frakcí materiálů Sítová analýza  měření frakcí částic propadlých do různých vrstev sloupce sít s klesajícím rozměrem ok.  změřitelnost částic je v rozmezí 10 µm aţ 125 mm.

Základna (vibrační talíř) je uzpůsobena pro stabilní upevnění sít. Základ je osazeny elektromagnetickým pohonem zajišťujícím optimální vibrace základny. U všech strojů lze nastavovat amplitudu kmitů a tato funkce je nezávislá na výkyvech frekvence napětí, zatíţení sít, stáří a stavu stroje.

Obr. 2. 3. Sítové granulometry 7

31


Tvarovitost a výzkum morfologie částic Dopravní a liniové stavby

Kapitola II. Kapitola I.

Obr. 2. 4.Síto 500 µm 7

Autor: Ing. Jiří Kubeš Autor: Ing.

Obr. 2.5. Sada sít Tersch 7

Mikroskopie  optická nebo SE (skenovací elektronová)  přímé pozorování 2D projekce částic  vyhodnocení nejlépe pomocí software pro analýzu obrazu  omezení 

kvalita (kontrast) obrazu

chybějící rozměr velikosti (obtíţné odlišení kuliček a destiček)

Systém obrazové analýzy se skládá ze tří částí: z optického mikroskopu, makro soustavy a PC se SW pro obrazovou analýzu. Optický mikroskop s mikrofotografickým zařízením umoţňuje pozorování mikroskopických preparátů v procházejícím i v odraţeném světle při zvětšení 1000x a při pouţití zoomu pak ještě větším. Makro soustava je tvořena repro stativem s osvětlovací soustavou. Na stativ je moţno připevnit barevnou video kameru s makro video zoom objektivy, které umoţňují vytváření dokumentačních snímků nebo obrazů s různým zvětšením a nahrazují tak částečně stereomikroskop. Obrazy z mikroskopu nebo z makrooptiky snímané barevnou kamerou nebo černobílou kamerou mohou být archivovány, softwarově upravovány, proměřovány a dále matematicky zpracovávány. Optický mikroskop ve spojení s obrazovou analýzou je vyuţíván např. k analýze makro soustavy k dokumentaci vzorků, při posuzování heterogenních směsí, měření velikosti částic u sypkých materiálů apod. Rozsah aplikací celého systému je velký a dále se rozšiřuje podle problémů.

32


Tvarovitost a výzkum morfologie částic Dopravní a liniové stavby

Kapitola II. Kapitola I.

Autor: Ing. Jiří Kubeš Autor: Ing.

Laserová difraktometrie  měření difrakce laserového paprsku na modelovém shluku částic  matematická rekonstrukce difrakčních obrazců

Obr. 2. 6. Schéma měření laserové difraktometrie 8

Beam expander – paprsek, Parallel monochromatic light – paralelní jednobarevné světlo, Particle field – částicové pole, Colection lens – sběrná čočka, Detector – detektor

Obr. 2. 7. Měření částic 7 Small particle – malá částice, Large particle – velká částice

33


Kapitola II. Kapitola I.

2.4.2

Tvarovitost a výzkum morfologie částic Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Jiří Kubeš Autor: Ing.

Charakteristika tvaru částic

V následující tabulce jsou uvedeny některé parametry a tvary částic. Tab. 2.1. Tvary částic [7]

Tab. 2. 2. Názvy pro stanovení tvaru zrna 8

parametr

tvar částice velmi ostrohranný ostrohranný

angularita / zaoblenost

slabě ostrohranný slabě zaoblený zaoblený dobře zaoblený kvádrový

tvar

plochý podlouhlý

povrchová textura

drsná hladká

34


Kapitola II. Kapitola I.

Tvarovitost a výzkum morfologie částic Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Jiří Kubeš Autor: Ing.

Mezi tyto určující parametry patří sféricita a angularita. Sféricita (kulovitost)  jedná se o parametr, který úzce souvisí s tím, jak moc se částice svým tvarem blíţí tvaru koule.  je poměr povrchu koule o stejném objemu jako má částice k povrchu částice a je dána vztahem:

Angularita (členitost, zaoblenost)

Obr. 2. 8. Sféricita a angularita 6

2.4.3 Tokové vlastnosti látek  Dobře tekoucí látky 

větší velikost částic (s omezením)

hladké částice

kulovité, pravidelné částice

 Špatně tekoucí látky 

velmi jemné

výrazná textura povrchu

jehličkovitý, destičkovitý tvar 35


Tvarovitost a výzkum morfologie částic Dopravní a liniové stavby

Kapitola II. Kapitola I.

Autor: Ing. Jiří Kubeš Autor: Ing.

Tab. 2. 3. Základní tvary částic

Tvar

Povrch

Objem

Krychle

P = 6a2

V = a3

Kvádr

P = 2(ab + bc + ca)

V = abc

Hranol

P = 2Sp + Spl

V = Spv

Válec

P = 2r(r + v)

V = r2v

Jehlan

P = Sp + Spl

V = 1/3Spv

Komolý jehlan

P = S1 + S2 + Spl

V = v/3 (S1 + ( S1S2) + S2

Kuţel

P = r(r + s)

V = 1/3r2v

Komolý kuţel

P =  r12 + r22 + ( r1+ r2)s

V = 1/3r2v(r12 + r1r2 + r22)

Koule

P = 4r2

V = 4/3r3

Koeficient kruhovitosti

Závěr První odstavec textu se zabývá úvodem do problematiky měření morfologie částic nejčastěji vyuţívanými metodami. Je moţné zkoumat tvarovitost různých druhů částic z různých materiálů, v tomto případě je článek orientován na sypké hmoty s důrazem na moţnosti skladování materiálu. Měřením tvarových parametrů metodou digitálního zpracování obrazu (DIP) spočívá v tom, ţe nejdříve zaznamenáme obraz nahromaděných částic měřeného vzorku. Zjistíme tak hranice všech částic. Z těchto hodnot, které jsou uspořádány v tabulce, můţeme vyhodnotit velikosti šířky, objemu, celkovou masu vzorku a hodnotu . V další části je moţné dle několika vztahů stanovit tyto tvarové parametry: poměr vločkovitosti, poměr prodlouţení, kulovitost, tvarový faktor, poměr konvexity a plochu nezaplněnosti částice. Známe-li tyto parametry, můţeme určit vhodný způsob skladování popř. přepravy materiálu.

36


Kapitola II. Kapitola I.

Tvarovitost a výzkum morfologie částic Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Jiří Kubeš Autor: Ing.

Reference [1] R.D. Barksdale, M.A. Kemp, W.J. Sheffield, J.L. Hubbard, Measurement of aggregate shape, surface area, and roughness, Transportation Research Record 1301, National Research Council, Washington, DC, 1991, pp. 107 - 116. ISSN 0361-1981. [2] Z.Q. Yue, I. Morin, Digital image processing for aggregate orientationin asphalt concrete mixtures, Can J Civil Eng 23 (1996) 480 - 489. [3] C.Y. Kuo, J.D. Frost, J.S. Lai, L.B. Wang, Three-dimensional image analysis of aggregate particles from orthogonal projections, Transportation. Research Record 1526, National Research Council, Washington, DC, 1996, pp. 98 - 103. ISSN 0097-8515. [4] C.F. Mora, A.K.H. Kwan, H.C. Chan, Particle size distribution analysis of coarse aggregate using digital image processing, Cem Concr Res 28 (6) (1998) 921 - 932. [5] W.C. Krumbein, Measurement of geological significance of shape and roundness of edimentary particles, Sediment Petrol 11 (1991) 64 - 72. [6] C.F. Mora, A.K.H. Kwan. Sphericity, shape factor, and convexity measurement of coarse aggregate for concrete using digital image processing, The University of Hong Kong (1999) 7-9. [7] internetové stránky: www.mfcr.cz www.retsch.com www.sciencedirect.com [8] NOSKIEVIČ, J. Mechanika tekutin. Praha: SNTL, 1987. Fyzika tekutin

37


3 KAPITOLA III. TVORBA POVRCHOVÝCH STRUKTUR PŘI VIBRAČNÍ DOPRAVĚ Autor: Ing. Kamil Skácel

Úvod Chytrá, jednoduchá, všestranná, tak hodnotí experti vibrační dopravu. Materiál je přemísťován působením setrvačných sil. Základní stavební prvek charakterizující tento druh přepravy se nazývá vibrační dopravník, či podavač. Tyto prvky jsou schopny manipulovat téměř se vším, od prášku po velké kusy kamenů, beze ztrát, ekologicky a s minimálním opotřebením. Je dokázáno, ţe práškové hmoty se sypným úhlem od 20° do 60° a od teploty pohybující se okolo -30 °C, aţ do několika stovek °C jsou schopny být dopravovány pomocí vibrace bez větších problémů. Vibrační dopravník je tvořen ţlabem obvykle tvaru širokého písmene U nebo kruhového, který je pruţně uloţen k základu. Podle daných vlastností pohonu a jeho uloţení můţe být pohyb materiálu na tomto systému značně sloţitý. Dle pohybu materiálu po ţlabu lze vibrační dopravu rozdělit na: Dopravníky impulzní Materiál je zde v přímém kontaktu se ţlabem a jeho pohyb se realizuje za asistence rozdílných impulzů při pohybu nosného prvku (ţlabu) tam a zpět. Dopravníky s mikrovrhem U těchto systémů je dopravovaný materiál vlivem tzv. mikroskoků téměř celou dobu unášen ve vzduchu. Výsledkem je minimální opotřebení zařízení a podstatné zvýšení ţivotnosti ţlabu. Dle druhu ţlabu na: Ţlabové Jedná se o prvky, u kterých se dno ţlabu pohybuje přímočarým harmonickým pohybem pod úhlem vrhu ke směru dopravy. V určité poloze dojde k oddělení sypkého materiálu a následuje jeho samostatný pohyb. Po dobu letu dopravovaných částic se ţlab pohybuje zpět aţ do 38


Kapitola III. Kapitola I.

Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

okamţiku, kdy se s ním opět potká balistická dráha dopravovaných částic. Při nastavení optimálních podmínek (pracovní frekvence, úhel vrhu), lze docílit velmi vysokých dopravních výkonů nebo naopak výkonů menších potřebných k šetrné dopravě citlivého sypkého materiálu. Pohon u těchto prvků je realizován za pomocí dvojice příloţných vibrátorů (vibromotorů). Trubkové Tyto prvky vynikají zejména při bezprašné dopravě sypkých, zrnitých a kusovitých materiálů. Mezi nesporné výhody patří moţnost hermetizace dopravní trasy v celé její délce. Tento druh dopravy umoţňuje transport substrátů v širokém teplotním rozmezí. Jako hnacího prvku je zde vyuţíváno dvojic příloţných vibromotorů nacházejících se pod, či nad dopravním prvkem, případně na bočních stěnách.

Obr. 3. 1. Vibrační dopravník [1]

3.1 Základní části vibračních zařízení Běţnou základní stavební části těchto zařízení tvoří ţlab. Ve skutečnosti se jedná o ocelový plech (trubku), který je za pomocí pruţin upevněn k základu. I přesto, ţe se jedná o poměrně šetrný druh přepravy sypkých materiálu, je dno ţlabu vyrobeno z otěruvzdorného materiálu nebo ţebrované. Ke zvýšení kluzného pohybu materiálu po spodní části a zabránění abrazivního opotřebení ţlabu se ve většině případů umisťuje na dno daného prvku výstelka, která tyto vzniklé problémy dokáţe eliminovat. Pouţití těchto aspektů umoţňuje významné ekonomické výhody z hlediska údrţby a sníţení rizika úrazu při odstraňování nálepů.

39


.Kapitola III. Kapitola I.

Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

Mezi jedny z nejpouţívanějších materiálů u výstelek je vyuţíváno polyvinylchloridů, polyetylenů, polypropylenů a polyuretanů. PVC se vyznačuje dostatečnou pevností, tuhostí, nízkou teplotní roztaţností, vysokou odolností proti kyselinám a zásadám, snadným svařováním a lepením. Mezi nevýhody patří poměrná křehkost a nízká teplotní odolnost. PU se hodí pro aplikace, kde jsou kladeny extrémní nároky na mechanickou odolnost a otěr. Vyznačuje se výbornou odolností proti vodě, zředěným kyselinám a solným roztokům, vysokou pevností a houţevnatostí, nízkou teplotní roztaţností, hmotností a lépe odolává tečení materiálu (creepu) při působení napětí.

Obr. 3. 2. Ukázka ţlabů vibračních dopravníků [1]

Jak uţ bylo řečeno výše, zdroj kmitů je realizován pomocí vibromotoru, který budí hmotu uváděnou do pohybu většinou periodickou silou a způsobuje kmitání s určitou frekvencí a amplitudou. Při buzení lineárním vibromotorem dochází k vratnému pohybu hmoty, u nevyváţeného buzení opisuje hmota kruhovou, popř. eliptickou dráhu. Pro pohon vibromotoru jsou běţné tři druhy energie: pneumatická, elektrická a hydraulická. .

40


.Kapitola III. Kapitola I.

Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

Obr. 3. 3. Ukázka vibromotoru [1]

Celé zařízení spočívá na ocelových pruţinách, které efektivním způsobem zamezují přenosu dynamických sil do základu. Charakteristickým znakem těchto prvků je velká pruţná deformace během zatíţení, která po odlehčení zmizí. Lze je rozdělit na: a) Pruţiny zkrucované b) Pruţiny ohýbané c) Šroubové válcované pruţiny tlačné d) Šroubové kuţelové pruţiny tlačné e) Šroubové válcované pruţiny zkrutné f) Listové pruţiny g) Talířové pruţiny h) Pryţové pruţiny

Obr. 3. 4. Ukázka tlačné pruţiny [1]

41


.Kapitola III. Kapitola I.

Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

3.2 Povrchové struktury vzniklé při vibrační dopravě Rychlost, šetrnost, jednoduchost, tak by se daly shrnout nejmodernější trendy v oblasti dopravy partikulárních látek. Po celém světě vzniká řada futuristických projektů a konceptů, které mají za úkol zkoumat vlastnosti těchto materiálů s jediným cílem, co nejhospodárněji a s minimálními náklady zajistit plynulou dopravu, manipulaci a jejich následné skladování. Tvorba povrchových struktur z hlediska dopravy, manipulace a skladování partikulárních materiálů hraje důleţitou roli při určování vlastností (chování) těchto prvků. Vzniklé struktury jsou svým tvarem nápadně podobné tzv. fraktálům a připomínají tvarem objekty nacházející se běţně kolem nás v přírodě. Zkoumání tvaru a různých zákonitostí povrchových struktur, nám můţe výrazně usnadnit jejich pochopení a následnou studii. Z praktického hlediska lze tedy říci, ţe mezi objekty vyskytujícími se v přírodě a povrchovými strukturami existuje určitá ,,analogie“ (příroda vs. fraktál), (fraktál vs. sypký prášek).

Příroda vs. fraktál

Fraktál vs. sypký prášek

Obr. 3. 5. Podobnost fraktálu se sypkou hmotou [1]

3.2.1 Úvod do fraktální geometrie Fraktálem se rozumí geometrický objekt, který po rozdělení na mnohem menší části vykazuje v určitých případech tvarovou podobnost (duplikaci) s těmito částmi. Těmito prvky se zabývá samostatná vědní disciplína zvaná fraktální geometrie. Mezi zakladatele této vědní disciplíny je povaţován francouzský matematik Beonit Mandelbrot, který jako první vyslovil slovo fraktál. Podobné objekty byly známy v matematice jiţ dlouho před tím, Kochova sněhová vločka nebo Sierpinského trojúhelník. Slovo pochází z latinského slova fractus (rozbitý). Ve skutečnosti se jedná o nekonečně členitý útvar, který nelze popsat klasickou euklidovskou geometrii (popis dokonale hladkých útvarů). Hlavním znakem těchto útvarů je soběpodobnost (zkoumaný objekt vypadá stejně ,,v jakémkoliv měřítku“) [2]. Fraktály však slouţí i k modelování a pochopení sloţitých dějů, které se odehrávají v čase. Jedná se tedy o jevy dynamické (vznik

42


Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

.Kapitola III. Kapitola I.

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

povrchových struktur práškových materiálů). Tyto netypické geometrické útvary lze rozčlenit

následným způsobem: a) Deterministické fraktály b) Náhodné fraktály c) Sloţené fraktály d) Multifraktály

Sierpieńského koberec

Mengerova houba

Obr. 3. 6. Ukázka fraktálu [1]

3.2.2 Povrchové struktury práškových materiálů Jak bylo zmíněno v úvodu, při zkoumání procesů vznikajících ve vibrační dopravě se pomocí experimentálního měření narazilo na pozoruhodný jev doprovázející tento druh dopravy vyuţívaný především pro manipulaci sypkých prášků a popisovaný jako ,,cannibalizing“ [3]. S určitostí nelze tvrdit, zda jde o aspekt (jev) ţádoucí, či jeho pravý opak. Zajímavý je fakt, ţe vzniklé struktury sypkého prášku mají určitou podobnost, dnes uţ hojně pouţívanému pojmu zvanému fraktál (prvek, který při změně měřítka vykazuje znaky, jako jeho zvětšenina). Lze tedy s určitostí říci, ţe za určitých vstupních podmínek, jako jsou např. frekvence kmitání, mechanicko-fyzikální vlastnosti prášku, okolní vlivy, je moţno uplatnit tzv. Fraktální teorii, slouţící k matematickému vymodelování povrchové struktury sypkého prášku blíţící se reálu.

43


.Kapitola III. Kapitola I.

Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

Obr. 3. 7. Ukázka struktury prášku vzniklé při vibrační dopravě [3].

Za pomocí uměle inteligence (PC platforma) a s přihlédnutím k počátečnímu a koncovému stavu (podmínkám) lze např. za asistence algoritmu pro Juliovu či Mandelbrotovu mnoţinu (modifikace Juliovy mnoţiny) vytvořit interaktivní (matematický) model struktury nesoucí v sobě podobné znaky blíţící se reálné struktuře vzniklé při vibrační dopravě. Přestoţe vzniklá struktura vypadá sloţitě, algoritmus pro její vygenerování je de facto poměrně jednoduchý. Základním stavebním prvkem pro tvorbu Juliových mnoţin a Mandelbrotových mnoţin je dnes jiţ běţně pouţívána rovnice Fraktální geometrie popsaná níţe (3.1), [4].

(3.1) c…...komplexní konstanta, která se volí dle uváţení zn…..je bod komplexní roviny, tedy: (3.2)

44


.Kapitola III. Kapitola I.

Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

Obr. 3. 8. Iterační výpočet bodu leţící v Juliově mnoţině [5]

Rovince v sobě zahrnuje všechna reálná čísla a tzv. imaginární jednotku, pro kterou platí známý vztah: (3.3) Z praktického hlediska, při nastavení počátečních podmínek z0 (pevný bod) a c (libovolně volená konstanta) nás zajímá, zda popsaná rovnice diverguje, či konverguje. Za těchto okolností lze vygenerovat strukturu mající a nesoucí v sobě určité specifické vlastnosti (při zvětšení má struktura podobný tvar jako výchozí systém) a existence analogie blíţící se reálu (sypká hmota vs. fraktál). Za těchto podmínek, lze pomocí matematického programu poměrně velmi přesně zachytit poţadovány tvar struktury prášku vznikající při vibrační dopravě v určitém specifickém rozmezí. Matematický model vykazuje poměrně velkou podobnost s poţadovanou reálnou strukturou.

Obr. 3. 9. Ukázka povrchové struktury prášku vymodelované pomocí PC pro c =0,4-0,2i [6]

45


.Kapitola III. Kapitola I.

Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

Obecně lze tedy s určitostí říci, ţe vzniklé povrchové struktury prášku při vibrační dopravě se dají poměrně věrně popsat pomocí fraktální teorie. Tudíţ tímto krokem vede správná cesta k studování, pochopení a následné aplikaci tvorby povrchových struktur do průmyslu a jiných odvětví dnešní moderní doby. Běţné prvky jako úsečky, kruhy, čtverce, krychle aj. lze popsat za pomocí euklidovské geometrie. Popis nepravidelných členitě sloţitých útvarů byl aţ donedávná označován za obtíţný nebo byl povaţován za pouhou fikci. Aţ na sklonku tohoto století se došlo k závěru, ţe specifikovat nepravidelný, členitý útvar lze poměrně jednoduše za pomocí tzv. fraktální dimenze. Jelikoţ povrchová struktura je de facto nekonečně členitý útvar a často ve většině případů vykazuje prvky soběpodobnosti (duplikace), práškové struktury (nekonečně členitý útvar) je moţno blíţe specifikovat pomocí fraktální teorie, pomocí Hausdorffovy-Besicovitchovy dimenze. Ve skutečnosti se jedná o číslo udávající jak sloţitý je pozorovaný útvar. Můţe se jednat o povrch nebo strukturu tělesa. Základním znakem fraktální HausdorffovyBesicovitchovy dimenze je, ţe převyšuje topologickou celočíselnou dimenzi. Lze říci, ţe topologická dimenze určuje počet nezávislých proměnných, kterým lze daný objekt blíţe specifikovat. Například bod má nulovou dimenzi, topologická dimenze přímky je rovna jedné, roviny dvěma apod.. Naproti tomu Hausdorffova-Besicovitchova dimenze nabývá neceločíselných hodnot a slouţí k popisu sloţitého členitého útvaru (útvar není hladký). Z toho vyplývá, ţe vzniklé struktury prášku lze věrně popsat za pomocí Hausdorffovy-Besicovitchovy dimenze. Nejjednodušším příkladem pro pochopení Hausdorffovy-Besicovitchovy dimenze je úsečka. Po vytvoření úsečky, která má jednotkovou délku, ji rozdělme na N dílů (dosáhneme toho jako bychom se podívali na tento útvar s N násobným zvětšením). Měřítko nové úsečky se tedy vypočte dle následujícího vztahu (3.4), [7].

(3.4) Kde: ɛ …….měřítko a N…… je počet částí, na které se těleso (úsečka) rozdělí. Pak lze pro Hausdorffovu-Besicovitchovu dimenzi psát následující vztah (3.5) (3.5) 46


.Kapitola III. Kapitola I.

Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

Po dosazení vztahu (3.4) do (3.5) dostaneme:

(3.6)

Po odvození výše uvedeného vztahu je zřejmé, ţe vypočtená HausdorffovaBesicovitchova dimenze úsečky je rovna jedné, tedy je stejná jako topologické dimenze úsečky. Lze tedy říci, ţe dle textu uvedeného výše úsečka není fraktálem (tzn. není členitá, s čehoţ vyplývá, ţe Hausdorffova-Besicovitchova dimenze není výrazně ostřejší neţ Topologická dimenze).

Obr. 3. 10. Úsečka [1]

Dalším jednoduchým prvkem pouţitým při zkoumání Hausdorffovy-Besicovitchovy dimenze je čtverec. Opět se jedná o prvek, jehoţ hrany budou mít jednotkovou délku a plochu. Po dvojnásobném zmenšení vypadá tento objekt jako by měl čtyřnásobnou plochu. 47


.Kapitola III. Kapitola I.

Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

Z toho vyplývá, ţe se zmenšujícím se měřítkem jeho plocha roste a lze psát pro odvození Hausdorffovy-Besicovitchovy dimenze vztah (3.7).

(3.7)

Je zřejmé, ţe Hausdorffova-Besicovitchova dimenze čtverce je rovna dvěma, jako u výše zmíněného příkladu je rovna topologické dimenzi (E2), tedy i v tomto případě se nejedná o fraktál.

Obr. 3. 11. Čtverec (rovina) [1]

Hausdorffovu-Besicovitchovu dimenzi krychle lze vyjádřit následovně dle vztahu (3.8) (3.8)

48


.Kapitola III. Kapitola I.

Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

Je patrné, ţe Hausdorffova-Besicovitchova dimenze (E3) je i v tomto případě rovna topologické dimenzi. Úsečka, čtverec ani krychle tedy není fraktál.

Obr. 3. 12. Krychle (prostor) [1]

Při určování povrchových struktur a za platnosti předpokladu, ţe povrch částic prášku je tzv. fraktál (soběpodobný prvek), lze pro jeho popis moţno pouţít výše uvedených poznatků.

49


.Kapitola III. Kapitola I.

Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

Lze tedy psát vztah (3.9) (3.9)

Kde: L…. je čtvercová plocha, kterou pokryjí částice prášku, ɛ…. Je efektivní velikost částice a N….je minimální počet částic potřebných k pokrytí uvaţované plochy, tedy

(3.10)

Obr. 3. 13. Příklad určení povrchu struktury prášku z hlediska fraktální dimenze [8]

3.2.3 Vyhodnocovací prostředky Ke správnému pochopení a rozškálování povrchových struktur je zapotřebí vzniklý povrch naskenovat a vyhodnotit za pomocí moderních mikroskopických metod. Pouţití moderních mikroskopických metod nachází uplatnění od biologie a medicíny, přes chemii, mineralogii, metalurgii a jiné technologické aplikace aţ ke kriminalistice a restaurovaní uměleckých děl. V současnosti existuje mnoho technik a jejich následných aplikací, které nacházejí široké uplatnění v mnoha vědních oborech a nesmírnou mírou přispěly k řadě důleţitých objevů. Mezi tyto prvky patří např. Rastrovací elektronový mikroskop (SEM), Transmisní elektronový mikroskop (TEM), Mikroskop atomárních sil (AFM) aj.

50


.Kapitola III. Kapitola I.

Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

SEM

TEM

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

AFM

Obr. 3. 14. Ukázka měřených vzorků různými typy mikroskopů [9]

Rastrovací elektronový mikroskop (SEM – Scanning Electron Microscope) AMF mikroskop, stejně jako klasický mikroskop, slouţí k pozorování a zvětšování velmi malých a blízkých předmětů. Aplikace této metody spočívá vtom, ţe světelné paprsky jsou zde nahrazeny svazkem urychlených elektronů, které mají vlnovou délku mnohem niţší neţ je vlnová délka světla. Oproti klasickým světelným mikroskopům jsou zde čočky nahrazeny elektromagnetickými čočkami, které zaručují správnou regulaci a sbíhavost paprsku světla. Paprsek elektronů vyprodukovaný ţhavenou katodou (elektroda se záporným napětím) putuje po měřeném agregátu (rastruje) a vyráţí sekundární elektrony, které jsou snímány sondou a následně převáděny na videosignál a zobrazovány na monitoru. Mezi nesporné výhody patří velká rozlišovací schopnost a vysoká ostrost obrazu. Tento druh mikroskopu umoţňuje zobrazení povrchu struktur v poměrně velkém rozlišení aţ na úroveň nanometrů, coţ umoţňuje poměrné přesné zachycení povrchové struktury prášku v různých etapách jejího růstu.

Obr. 3. 15. Princip měření SEM mikroskopu [1]

51


.Kapitola III. Kapitola I.

Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

Transmisní elektronový mikroskop (TEM-Transmission Electron Microscope) Stavba tohoto mikroskopu je de facto poměrně stejná, jako u klasického mikroskopu, s tím rozdílem, ţe zobrazovacím vlněním není světlo, ale proud elektronů. Zdrojem vlnění je elektronová tryska, která vysílá ustálený proud elektronů šířící se zobrazovacím prostředím (vakuem) na elektromagnetickou čočku (různé typy cívek). Následně dochází za pomocí fluorescenčního stínítka nebo obrazovky ke vzniku tzv. stínového obrazu mikroskopovaného vzorku. Mezi nevýhody patří poměrně menší rozlišovací schopnost a ostrost obrazu měřeného vzorku.

Obr. 3. 16. Princip měření TEM mikroskopu [1]

Mikroskop atomárních sil (AFM-Atomic Force Microscope) Jedná se o metodu, která slouţí k trojrozměrnému zobrazování povrchu. Tato metoda je schopna zobrazovat pouze povrch vzorku, nikoliv však jeho objemovou strukturu (vzorek vyţaduje fixaci). Obraz je zde sestavován za pomocí sondy bod po bodu, kterou jsi lze představit jako ohebný nosník s připojeným hrotem (štípaný diamant) napájeným zespodu. Při skenování měřeného povrchu jsou zaznamenávány síly mezi hrotem a vzorkem, následuje detekce vertikálního pohybu nosníku (odráţející se laserový paprsek) a následuje převádění tohoto pohybu za pomocí PC na obraz. Mezi značné nevýhody patří velmi omezený rozsah velikosti obrázku, pomalost snímaní (řádově minuty), malá výška měřeného vzorku.

52


.Kapitola III. Kapitola I.

Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

Obr. 3. 17. Princip měření AFM mikroskopu [1]

Závěr Obecně lze tedy konstatovat, ţe studování fraktálních struktur nachází široké uplatnění v mnoha vědních oborech. Fraktální struktury můţeme nalézt více méně ve všech průmyslových odvětvích např. při tuhnutí kovových slitin, v chemii a nanochemii, v potravinářství, v dopravě sypkých materiálů aj. Praktické uplatnění nacházejí fraktální struktury také při tuhnutí kovových slitin. Změnou vnějších podmínek při ochlazování lze docílit lepších vlastností nového materiálu. Tyto vzniklé fraktální struktury nacházejí uplatnění zejména v automobilovém nebo leteckém průmyslu, kde je hlavní důraz kladen na co moţná nejmenší hmotnost, ale nejvyšší pevnost. Další vyuţití fraktálních struktur můţeme spatřit v chemii a nanochemii u tzv. koloidních struktur, či u tenzidů (součást mýdla). Jak je patrno z textu uvedeného výše, studování tvorby povrchových struktur prášku specifických vlastností vznikajících zejména u vibrační dopravy můţe vést za určitých okolností k uplatnění v procesu dopravy, ve stavebním průmyslu (nátěry) a jiných oborech dnešní moderní doby. Vzniklé struktury mají charakter fraktálu a je tedy moţné poměrně věrně popsat pomocí fraktální teorie, modelovat je za pomocí PC a sledovat jejich růst, apod.

53


.Kapitola III. Kapitola I.

Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

Obr. 3. 18. Ukázka tvorby povrchových struktur prášku při vibrační dopravě[10]

54


Kapitola III. Kapitola I.

Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

Reference [1]

© Copyright 2010 Autodesk, Inc. Autodesk Inventor Professional [počítačový program] ver. 2009. Počítačový program pro tvorbu 3D a 2D modelů strojních součástí, 1,71 GB. Vyţaduje Windows XP a vyšší.

[2]

Mandelbrot, B. B. The Fractal Geometry of Nature, Rev. Ed. Of Fractals, 1977, ISBN 13978-0-7167-1186-5.

[3]

SHINBROT, T. - LOMELO, L. - MUZZIO, F. J. Harmonic patterns in fine granular vibrated beds. Granular Matter, 2, 2000, pp. 65-99. ISSN 1292-8941.

[4]

PEITGEN, H. O. - JÜNGENS, H. - SAUPE, D. Chaos and Fractals: New Frontiers of Science, Springer-Verlag, New York, 1992, ISBN 0-387-20229-3.

[5]

URL:<http://www.root.cz/clanky/mandelbrotovy-a-juliovy-mnoziny-vectyrrozmernemprostoru/> [cit. 2009-12-1].

[6]

SATAR, Terence. Ultimate Fractal [počítačový program] Ver. 1.1. Počítačový program pro tvorbu a generování Fraktálních mnoţin, 1.50 MB. Vyţaduje Windows 9x a vyšší.

[7]

F. Hausdorff. Dimension und äußeres Mass. Mathematische Annalen, 1917, 10.1007/BF01457179.

[8]

URL:<http://fornax.sk/~singer/si99/skola/10_semester/iau/ID3.ppt> [cit. 2010-5-1].

[9]

E. Košťáková, Přednáška 11-Testováni nanovlákených materiálů [prezentace] Prezentace v program Microsoft PowerPoint 2007, 5.84 MB. Vyţaduje Windows XP a vyšší.

[10]

URL:<http://www.youtube.com/watch?v=JizccrBXOY8> [cit. 2010-5-4].

55


KAPITOLA IV. TEKUTOST MATERIÁLU VE SKLADOVACÍCH SYSTÉMECH Autor: Ing. Aleš Procházka

4 Úvod Při manipulaci s volně loţenými sypkými práškovými a zrnitými materiály se nevyhneme jejich shromaţďování v silech či zásobnících. Při vyskladňování uvedených materiálů mohou nastat problémy s jejich výtokem, klenbováním či nalepováním na stěny skladovacích zařízení. Skladovaný materiál můţe tvořit buď klenby, nebo se usazovat či nalepovat na šikmých stěnách nebo tvořit středový tzv. tunel. Abychom zamezily těmto problémům, musíme pochopit vlastnosti a chování těchto materiálů.

4.1 Systém klasifikace a hodnocení tekutosti prášků O jedno ze základních rozdělení mezi práškovou hmotou a fluidizačním plynem se výrazně zaslouţil Geldart (1973) viz obr. 4.1. Geldart zařazuje sypké materiály do čtyř skupin podle jejich velikosti a rozdílu měrných hmotností sypkého materiálu ρp (kg/m3) a fluidizačním plynem ρg (kg/m3). Tato klasifikace je široce pouţívaná ve všech oblastech zabývajících se práškovou technologií. Rozdělení podle tříd: C - jedná se o jemný a soudrţný prášek (kohezivní) prášek, který jde obtíţně provzdušnit, A - jemné, relativně jednoduše provzdušnitelné částice, B - velmi dobře provzdušnitelné částice podobající se zrnkům písku, D – tato třída vyţaduje pro provzdušnění vysokou rychlost plynu.

56


Tvorba povrchových struktur při vibrační dopravě Dopravní a liniové stavby

Kapitola III. Kapitola I.

Autor: Ing. Kamil Skácel Autor: Ing.

Obr. 4.1. Geldardova (1973) klasifikace fluidizačního chování částic (pro vzduch a okolní podmínky)

4.2 Fluidizace prášků Při prostupu plynu přes porózní lůţko, které je naplněné sypkou hmotou, dochází celkem k šesti známým sledovaným reţimům chování sypké hmoty (obr. 4.1). Tyto reţimy jsou zcela závislé na třech faktorech: na rozměrech fluidizačního lůţka, vlastnostech sypké hmoty a rychlosti proudění fluidizačního plynu. Jak je často popisováno v literatuře pro klasické gravitační fluidizační lůţko [1], stav sypké hmoty v lůţku prochází třemi nejzákladnějšími reţimy fluidizace při zvyšování proudění plynu (viz obr. č. 4.2 b-d – Grace 1986).

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Obr. 4. 2. Základní reţimy gravitační fluidizace sypkých hmot (Grace 1986) a) pevné lůţko nebo opoţděná tvorba bublin, b) tvorba bublin, c) spojování bublin, d) turbulentní reţim, e) rychlá fluidizace, f) pneumatická doprava; b-d: typické nejzákladnější reţimy fluidizace 57


Tekutost materiálu ve skladovacích systémech Dopravní a liniové stavby

Kapitola IV. Kapitola I.

Autor: Ing. Aleš Procházka Autor: Ing.

Obr. 4. 3. Schéma provzdušňovacího prvku

4.2.1 Fluidizace v gravitačním fluidizačním lůžku Tento typ fluidizace patří mezi nejstarší způsoby fluidizace. Při této fluidizaci je charakteristická minimální fluidizační rychlost Umf, při které začíná proces fluidizace sypké hmoty a následné tvoření bublin. Matematické vyjádření předpokládá rovnováhu gravitačních sil jednotlivých částic s měrnou hustotou p a vztlakových sil způsobených fluidizačním médiem o hustotě g a viskozitě . Za předpokladu konstantní porózity mf při minimální fluidizační rychlosti Umf je moţné tuto rychlost vyjádřit z kvadratické rovnice:

1   .  d  150 mf

U mf 

 mf3

g

 1   mf .  g d p   7 .  g3 d 5p  p   g g  150   mf3    mf3 4   g2 .d p2 3,5 2 2 2

p

(4.1)

 mf  a ustálenou tlakovou ztrátu P na tloušťku lůţka L: P  1   mf  .  p   g .g L

(4.2)

4.2.2 Fluidizace v rotačním fluidizačním lůžku V rotačním fluidizačním lůţku na rozdíl od klasického gravitačního fluidizačního lůţka dochází k fluidizaci částic ve vrstvách postupně (obr. 4.4– Huang 2009), takţe od zvětšujícího se poloměru otáčení klesá tlaková ztráta (pokles) [3].

58


Tekutost materiálu ve skladovacích systémech Dopravní a liniové stavby

Kapitola IV. Kapitola I.

Autor: Ing. Aleš Procházka Autor: Ing.

Obr. 4. 4. Základní reţimy chování jemné sypké hmoty v rotačním lůţku (Huang 2009)

Obdobně jako u vztahu (4.1) pro gravitační fluidizační lůţko [2], minimální rychlost média Umfc, při které začíná počátek fluidizace u rotačního lůţka lze teoreticky vyjádřit:     f  g   f d g3 2ro  2   33,7  0,0408 U mfc     d   2   f g  2

(4.3)

a následně tlakovou ztrátu Pf při minimální fluidizační rychlosti v plně fluidizovaném rotačním lůţku: r2  r2 Pf  1   mf  g   f  2 o 1 [Pa] (4.4) 2

4.3 Studie a nejnovější výzkum při zlepšování tekutosti v dopravních systémech Pro umoţnění či usnadnění výtoku sypkých materiálů ze zásobních sil a provozních zásobníků se pouţívají různé druhy uvolňovacích systémů. Ty jsou mechanické, akustické či pneumatické [4].

59


Kapitola IV. Kapitola I.

Tekutost materiálu ve skladovacích systémech Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Aleš Procházka Autor: Ing.

4.3.1 Mechanické a akustické uvolňovací systémy Mechanické uvolňovací systémy (vibrační dna, příloţné vibrátory elektrické či pneumatické, pneumatická kladiva) vyuţívají mechanickou energii k vytvoření rázů či vibrací, které se z konstrukce skladovacího zařízení přenášejí do sypkého materiálu. Mají často opačný efekt – nejen, ţe materiál neuvolní a neusnadní jeho výtok, ale mohou jej i upěchovat ve výsypce a výtokovém hrdle a tím zcela znemoţnit jeho výtok. Akustické uvolňovací systémy jsou širokopásmové zdroje zvuku o nízké frekvenci f (obvykle 60 - 300 Hz) a velkém akustickém tlaku Lp (137 - 147 dB v referenčním místě r = 1 m). Zvuk generovaný zdrojem je přenášen do zařízení, ve kterém poţadujeme uvolnit materiál. Většina energie akustického tlaku zůstává v prostoru usazeného materiálu a působením na částice vzduchu dochází k jejich rozkmitání a následně k uvolnění usazených prachových částic v prostoru. Na frekvenci první harmonické sloţky se zvuk vyzařuje do prostoru téměř rovnoměrně do všech směrů. Je to dáno tím, ţe ústí zvukovodu má poměrně malý průměr a na nízkých frekvencích je splněna podmínka d << l („d“ je průměr ústí zvukovodu a „l“ je vlnová délka zvuku). S rostoucí vzdáleností od ústí zvukovodu hladina akustického tlaku Lp výrazně klesá.

4.4 Pneumatické uvolňovací systémy V této části se budeme podrobněji zabývat pneumatickými uvolňovacími prvky a systémy. Ty lze rozdělit na lokální a plošné. K lokálním provzdušňovacím prvkům přiřazujeme provzdušňovací jehly, vzduchová děla a pulzní trysky. Plošné prvky jsou buď fluidní dna menších rozměrů, nebo provzdušňovací skříně sestavované do systémů provzdušňovacích zařízení. Plošné provzdušňovací prvky fluidizují materiál v ploše. Lokální provzdušňovací systémy Lokální provzdušňovací prvky přivádějí tlakový vzduch do provzdušňovaného materiálu v jednom prostorově omezeném místě. Nemohou tedy, a to ani při pouţití jejich soustav, zfluidizovat materiál v celém jeho objemu. Proto jsou vhodné zejména pro uvolňování výtoku materiálu z násypek, provozních zásobníků a sil menších rozměrů v případech časté obrátky materiálu a malého vrcholového úhlu výsypky.

60


Kapitola IV. Kapitola I.

Tekutost materiálu ve skladovacích systémech Dopravní a liniové stavby

Obr. 4.5. Provzdušňovací jehla PJ

Autor: Ing. Aleš Procházka Autor: Ing.

Obr. 4.6. Vzduchové dělo (pulsní jehla)

Provzdušňovací jehly (obr. 4.5) a tyče přivádějí vzduch do sypkého materiálu bodově (rozměr jehly je řádově menší, neţ rozměr zásobníku či jeho výpadu) nebo lineárně. Přívod vzduchu je trvalý po celou dobu výtoku materiálu. Dosah proudu vzduchu je velice krátký, proto se provzdušňovací jehly montují do blízkosti výstupních hrdel a tyče nejčastěji do rohů hranatých zásobníků či výsypek filtrů. Provzdušňovací jehly vyuţívají tlakový vzduch o přetlaku 0,05 – 0,6 MPa. Doporučuje se omezit přívod vzduchu Lavalovou dýzou. Vzduchová děla (obr. 4.6) přivádějí nárazově velký objem vzduchu do uskladněného materiálu. K tomu vyuţívají vzdušník a pulsní ventil spojený s fluidizačním tělem hadicí nebo potrubím (nejčastěji jeden vzdušník pro jedno tělo nebo společný pro 2 – 4 těla). Proud vzduchu se šíří kulovitě materiálem a jeho dosah je delší, neţ u provzdušňovacích jehel. Délka pulsu je nastavitelná a bývá v řádu od několika desetin sekundy aţ po několik sekund. Vzduchová děla vyuţívají tlakový vzduch o přetlaku 0,4 – 0,6 MPa. Pulzní trysky (obr. 4.7) jsou poměrně malá zařízení, která přivádějí do skladovaného materiálu vzduchový puls po velice krátkou dobu. Vyrábějí se v různých provedeních – jako pryţový kotouč, kovový ventil či ventil s pryţovou membránou. K vytvoření vzduchového pulsu slouţí pulsní ventil namontovaný přímo na trysce. Výtok vzduchu bývá usměrněn tak, ţe je materiál fluidizován v radiální vrstvě rovnoběţné se stěnou výsypky. Dosah proudu vzduchu z trysek závisí na přetlaku stlačeného vzduchu a na vlastnostech materiálu a můţe dosahovat do vzdálenosti 1000 aţ 1250 mm od trysky. Délka pulsu je nastavitelná a bývá v řádu desítek milisekund. Pulsní trysky vyuţívají tlakový vzduch o přetlaku 0,3 – 0,6 MPa, který by měl být, zvláště pro venkovní instalace, sušený, a to aţ na rosný bod –40°C. Spotřeba tlakového vzduchu bývá podle periody pulzace v řádu 10-2 aţ 100 Nm3/h. 61


Kapitola IV. Kapitola I.

Tekutost materiálu ve skladovacích systémech Dopravní a liniové stavby

Obr. 4.7. Tryska FLUID-JET

Autor: Ing. Aleš Procházka Autor: Ing.

Obr. 4.8. Provzdušňovací skříň

Obr. 4. 9. Provzdušňovací zařízení radiální

Plošné provzdušňovací systémy Plošné provzdušňovací prvky fluidizují materiál v ploše. Hlavním funkčním členem provzdušňovacího prvku je provzdušňovací tkanina. Ta se pouţívá v tloušťkách 4 – 8 mm s měrným odporem 2500 aţ 16000 Pa. Provzdušňovací tkaniny se vyrábí z přírodních nebo syntetických vláken z materiálů podle teplotní odolnosti (viz tabulka).

62


Kapitola IV. Kapitola I.

Tekutost materiálu ve skladovacích systémech Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Aleš Procházka Autor: Ing.

Proud vzduchu se prostupem póry v provzdušňovací tkanině rozptýlí do plochy a vstoupí do práškového materiálu, čímţ sníţí jeho vnitřní tření a materiál se uvede do fluidního stavu a získá vlastnosti blíţící se tekutině. Zvláště v sestavách více kusů obsáhnou provzdušňovací prvky celý průřez dna sila či zásobníku a provzdušní materiál v celém jeho objemu. Proto jsou vhodné pro sila s větším vrcholovým úhlem výsypky nebo s plochým dnem a pro sila větších průměrů – od 4000 mm výše. Plošné provzdušnění je také vhodné tam, kde je třeba vyvinout dostatečný a stálý hydrostatický tlak materiálu. Ten bývá potřebný pro rovnoměrný výtok či dávkování skladovaného materiálu do návazných technologických procesů nebo pro navazující pneumatickou dopravu průtokovým podavačem. Pro plošné provzdušnění materiálu v zásobnících menších rozměrů se pouţívají fluidizační dna. Ta jsou buď plochá, nebo kuţelová a provzdušňovací vzduch se v nich přivádí pod provzdušňovací přepáţku ve tvaru kruhové desky nebo kuţele. Základním prvkem provzdušňovacích zařízení je provzdušňovací skříň (obr. 4.8). To je nejčastěji těleso z ocelového plechu, do jehoţ horní strany je osazena provzdušňovací tkanina. Tkanina je těsně upevněna tak, aby veškerý vzduch ze skříně odcházel přes provzdušňovací přepáţku. Případné netěsnosti mohou vést k omezení či ztrátě funkce provzdušňovací skříně a také ke značné abrazi dna sila. Provzdušňovací vzduch je do provzdušňovací skříně přiveden buď zdola nebo z boku nátrubkem a přípojkou. V té by měla být vţdy osazena omezovací Lavalova dýza. Jejím pouţitím se přivede do skříně přesně stanovené mnoţství vzduchu bez ohledu na její zasypání skladovaným materiálem a bez ohledu výšku vrstvy materiálu nad skříní. Při pouţití sestavy více skříní se Lavalovými dýzami zajistí funkce provzdušňovacího zařízení i při poškození jedné nebo více skříní v systému. Pro provzdušňování sil a zásobníků se provzdušňovací skříně osazují do jejich den. Rozloţení skříní se nejčastěji volí radiální (obr. 4.9), je však moţné i jiné rozloţení v závislosti na tvaru a konstrukci dna sila. Sklon dna sila či zásobníku můţe být od plochého dna (z důvodů dostatečného vyprázdnění bývá sklon dna minimálně 8° od horizontály) aţ po kuţelové s vrcholovým úhlem do 60°. 63


Kapitola IV. Kapitola I.

Tekutost materiálu ve skladovacích systémech Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Aleš Procházka Autor: Ing.

Pro zajištění správné funkce provzdušňovacího zařízení a tím úplného vyprázdnění prostoru sila je zapotřebí dostatečně „hustého“ vyloţení dna sila provzdušňovacími skříněmi. Běţně se poměr provzdušňované plochy k celkové ploše dna sila pohybuje v rozmezí 20 – 30%. Při tom je moţno garantovat vyprázdnění sila na více neţ 97%. Přesný stupeň vyprázdnění závisí nejen na projekčním řešení provzdušňovacího zařízení, ale také na objemu a tvaru zásobního sila. Pro zvýšení ekonomie provozu a sníţení spotřeby provzdušňovacího vzduchu se provzdušňovací zařízení funkčně rozdělují na sekce, která se pravidelně cyklicky střídají v činnosti. V silech malých průměrů bývají sekce 3 – 4, pro sila s průměrem kolem 20 m se navrhuje sekcí 16 aţ 20. Jako zdroj provzdušňovacího vzduchu se často pouţívají Rootsova dmýchadla s výtlačným tlakem 50 – 80 kPa(g). Pokud je k dispozici tlakovzdušná síť, pouţívá se tlakový vzduch s tlakem do 200 kPa(g). V tom případě se musí zajistit jeho dokonalé odvodnění a při provzdušňování hygroskopických materiálů i sušení. Pouţití provzdušňovacího vzduchu je vyobrazeno na obr. 4.8 a provzdušňovací zařízení radiální je na obr. 4.9. Provzdušňovací zařízení atypické s vyšším přetlakem je konstrukčně moţné vzhledem k reálně dosaţitelnému tlaku vysoké fluidní vrstvy materiálu v silech, ale je však zbytečné a zatěţuje zařízení vysokou spotřebou energie. Provzdušňovacím zařízením je do skladovacího zařízení přiveden vzduch v mnoţství 101 aţ 102 Nm3/h. O tuto hodnotu je třeba zvýšit kapacitu odprašovacího zařízení sila či zásobníku.

Závěr Zajištění plynulého výtoku materiálu ze sil a zásobníků s pomocí správně navrţených technických zařízení je velice důleţité. Plynulý výtok s poţadovanou výkonností bývá potřebný pro navazující technologická zařízení. Správně zvolené provzdušňovací zařízení zajistí řádné vyprázdnění skladovacího zařízení a výrazně omezí zbytky materiálu v daném zařízení. Při nedostatečném provzdušňování materiálu v celém jeho objemu dochází při vyšších vykládacích výkonnostech k jeho klenbování. Proboření klenby můţe pak způsobit „pístový“ efekt, kdy se propadne sloupec neprovzdušněného materiálu v celém průřezu sila a vyvolá prudký pokles tlaku nad hladinou materiálu. To můţe vést aţ k destrukci sila a to i přes jeho zajištění uvolňovacím zařízením.

64


Kapitola IV. Kapitola I.

Tekutost materiálu ve skladovacích systémech Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Aleš Procházka Autor: Ing.

Ve skladovací technice mají své místo jak lokální provzdušňovací systémy (jehly a trysky), tak provzdušňovací zařízení. Lokální systémy jsou vhodné pro menší zásobníky s vysokou obrátkou materiálu. Pro skladovací a expediční sila větších rozměrů a při poţadavku na dokonalé vyprázdnění skladovacího prostoru jsou vhodná plošná sila.

65


Kapitola IV. Kapitola I.

Tekutost materiálu ve skladovacích systémech Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Aleš Procházka Autor: Ing.

Reference [1] Pfeffer, R., Dave, N., R., Wei, D., Ramlakhan, M.: Synthesis of engineered particulates with tailored properties using dry particle coating, Powder Technology 117, 2001. [2] Dave, N., R., Wu, Ch., Y., Chadhuri, B., Watano, S.: Magnetically mediated flow enhancement for controlled powder discharge of cohesive powders, Powder Technology 112, 2000. [3] Kao, J., Pfeffer, R., Tardos, G., I: On Partial Fluidization in Rotating Fluidized Beds, AIChE, 1986. [4] Rayman, R., RAYMAN spol. s r.o. Kladno [5] Grace, J. R. Contacting modes and behaviour classification of gas-solid and other two-phase suspensions. Can. J. Chem. Eng. 64, 353-363, 1986. [6] Huang, Q.,et al.,Onset of an innovative gasless fluidized bed —komparative study on the fluidization of fine powders in a rotating drum and a traditional fluidized bed. ChemicalEngineeringScience(2009),

66


5 KAPITOLA V. PROVZDUŠŇOVÁNÍ SVISLÝCH SKLADOVACÍCH SYSTÉMŮ SYPKÝCH HMOT Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D.

Úvod Mnoho důleţitých průmyslových procesů spoléhá na kontakt mezi plynem a sypkým materiálem. Tyto procesy jsou rozmanité od sušení zrní, přes sloţité chemické procesy (fluidní spalování), aţ po dopravu fluidní vrstvou či provzdušňování problematických míst při skladování a dopravě sypkých materiálů. Provzdušňování je jednou z cest, jak řešit problémy kontinuity toku ve svislých skladovacích systémech sypkých hmot (zásobnících) a dopravních zařízeních. Provzdušňovací zařízení pomocí přesně mířených dávek tlakového vzduchu rozrušují klenby, odstraňují nálepy či zvyšují tekutost skladovaného či dopravovaného sypkého materiálu. Problematika návrhu a efektivního provozu takového zařízení je rozčleněna do několika oblastí. Především optimální lokace daného zařízení do míst se vznikem tokových poruch a otázka vstupního tlaku a mnoţství potřebného tlakového vzduchu. Další oblastí je vliv provzdušňovacího zařízení na mechanicko-fyzikální vlastnosti sypkých hmot, především na horizontální a vertikální tlaky či na úhel vnitřního tření sypkých hmot.

5.1 Teorie vertikálních a horizontálních tlaků V oblasti skladovacích, technologických a dopravních zařízeních je nutno uvaţovat s tlaky vznikajícími při manipulaci se sypkými materiály. Tyto tlaky lze ve své podstatě rozdělit na statické, tedy tlaky způsobené nepohybujícím se sypkým materiálem a na tlaky dynamické, coţ jsou tlaky způsobené pohybem sypké hmoty. Postupně se v historii výpočtů statických tlaků v zásobnících uplatnily tři teorie, dle Pascala, Rankineho a Janssena. a) Teorie dle Pascala Roku 1653 Blaise Pascal ve své práci „ Traité sur l´Eguilibre des Liquides“ formuloval základní zákon hydrostatiky – později nazvaný Pascalův zákon. Tato teorie předpokládá rovnoměrné šíření tlaků všemi směry v kapalině a byla vyuţívána k určování tlaků v zásobnících 67


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

sypkých hmot. V současné době bychom tuto teorii mohli pouţít při skladování tekutin a sypkých materiálů s úhlem vnitřního tření e blízkého 0°. Vertikální tlak 1 i horizontální tlak 2 jsou identické, a proto lze napsat: 1P   2P  s  g  z

(5.1)

Na Obr. 5.1 je vidět, ţe maximální tlaky podle teorie dle Pascala jsou ve výpustném otvoru a na tento tlak by se dimenzovala následná doprava, zařízení či technologie. z[m]

z[m]

z[m]

PASCAL

RANKINE

JANSSEN

2 1

0

 1Pmax   2Pmax

0

 2Rmax

0

 1Rmax

 2Jmax  1Jmax

 1P ,  2P  1R,  2R [ Pa ]  1J,  2J

Obr. 5.1 Vizualizace tlakových teorií [16].

b) Teorie dle Rankineho Skotský stavební inţenýr William John Maquorn Rankine publikoval v roce 1857 pro Royal Society článek pod názvem „On the Stability of Loose Earth“, ve kterém definoval teorii pro výpočet tlaků v zeminách. Pro tento výpočet na půdním elementu pouţil několik zjednodušujících podmínek, a to, ţe půda je nesoudrţná, stejnorodá, izotropního charakteru, má nekonečný jeden rozměr, dobře odvodněná a nevyskytuje se zde stěnové tření. Po zjednodušení lze napsat Rankineho koeficient aktivního tlaku:

kA 

1  sin  e    tg 2 (45  e ) 1  sin  e  2

(5.2)

68


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

a koeficient pasivního tlaku:

kP 

1  sin  e      tg 2  45  e  1  sin  e  2  

(5.3)

Rankineho teorie se začala pouţívat i pro nízké zásobníky do výšky H ≤ (8÷10)R [8] a například pro výpočet tlaků ve ţlabech či skluzech [7]. Horizontální tlak 2 je roven vertikálnímu tlaku 1 násobeného koeficientem sypnosti k, coţ je vlastně Rankineho koeficient aktivního tlaku kA. Výsledný maximální tlak lze potom pro vertikální směr zapsat takto: 1R  S  g  z

(5.4)

a pro horizontální směr:

 2R  k  1R

(5.5)

c) Teorie dle Janssena 31. srpna 1895 byl v časopise Zeitschrift des Vereines Deutscher Ingenieure publikován článek německého inţenýra Heinricha Adolfa Janssena „Versuche über Getreidedruck in Silozellen“, který se stal základem pro výpočet tlaků v zásobnících sypkých hmot. Tento výpočet je zapracován i do výpočtových standardů či norem, například česká norma ČSN 73 5570 či německá norma DIN 1055. Dle Janssenovy teorie [3] je vertikální tlak v zásobníku roven:

p

z  4K  s    s   1 e  4  K  

(5.6)

a horizontální tlak je potom roven: ps 

Kp fw

(5.7)

Konstanta K uváděná v pozdější literatuře jako Janssenova konstanta je určena experimentálně nebo dle Dreschera [2] takto:

1   s  sin  e   K   tg w  1   s  sin  e 

(5.8)

kde s = 1 pro aktivní a s = -1 pro pasivní tlakový stav.

69


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

V literatuře [1] je uveden vztah pro vertikální tlak v zásobníku v této podobě:

1 

f k  w z  S  g  R   1 e R   f w  k  

(5.9)

a vztah pro horizontální tlak f k  w z  S  g  R  2   1 e R    fw  

(5.10)

Tato teorie zmenšuje tlaky do výpustných otvorů (viz. Obr. 5.1), coţ má vliv na dimenzování uzávěrů i následných technologických celků. Toto sníţení je zapříčiněno respektováním tvaru zásobníku ve výpočtech pomocí hydraulického poloměru R. Zajímavou odchylkou je nahrazení experimentální Janssenovy konstanty K Rankineho koeficientem aktivního tlaku kA, který má v tomto případě tvar koeficientu sypnosti k. Identické vzorce (5.9, 5.10) uvádí také Schulze [15], který zásobník rozděluje na tři výpočtové sekce. První sekce je samotná svislá část, kde se uplatňují rovnice (5.9, 5.10) plus smykové tření na stěně zásobníku, které má charakter: f k   w z    w  S  g  R  1  e R     

(5.11)

Schulze ovšem nenazývá hodnotu „k― koeficientem sypnosti, ale tlakovým poměrem „“. Tento tlakový poměr je pak dle různých zdrojů vyjádřen následovně:   1  sine  - dle Kézdiho [4]

(5.12)

nebo uţitím normy DIN 1055 [6] do podoby

  1,2  1  sine 

(5.13)

či pro hrubý odhad Schulze [15] uvádí   0,4

(5.14)

Druhou sekcí je oblast výsypky při aktivním stavu napjatosti, kdy dochází k plnění výsypky a třetí sekcí je opět výsypka, ovšem v pasivním stavu napjatosti, kdy dochází k vyprazdňování výsypky.

70


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

Vyjádření tlaků ve výsypce je uvedeno v diferenciálním tvaru:

2  tg w  d1   n  1  1  m    s  1   g   s dz z ls

(5.15)

kde

  tg w   n  m  1  K  1    1   tg     

(5.16)

s je poměr mezi normálovým tlakem působícím na konci výsypky a středním vertikálním tlakem, ls je délka klínovité výsypky,  je poloviční úhel výsypky a m je parametr tvaru výsypky, a platí m = 0 pro klínovité výsypky a m = 1 pro kuţelové výsypky. Tardos [13] uvádí výsledné tvary napěťových rovnic ve výsypce při akceptování zjednodušujících předpokladů a to, ţe výsypka je úzká a hledané místo napěťového stavu je blízko pomyslného vrcholu výsypky. Potom můţeme zapsat, ţe vertikální napětí, smykové napětí a napětí kolmé ke stěně výsypky mají tento tvar:

1  

S  g  z 1 m  N

(5.17)

t  

S  g  z  K 1 m  N

(5.18)

n  

S  g  z  K  cot g w  1 m  N

(5.19)

Přičemţ m = 2 pro kuţelovou výsypku, tzv. Janssenova konstanta K je nahrazena výrazem (5.8) a parametr N je vyjádřen následovně: N  1  K  cot g  cot g w 

(5.20)

V literatuře [8, 14] se objevuje modifikovaná Janssenova rovnice, ve které je součinitel vnějšího tření fw nahrazen součinitelem vnitřního tření fe. Dané rovnice mají potom tento tvar, v pořadí vertikální tlak a horizontální tlak:

1 

f k  e z  S  g  R   1 e R   f e  k  

(5.21)

71


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

f k  e z  S  g  R  2   1 e R    fe  

(5.22)

Úpravou rovnice (5.21) je odvozena tzv. Janssenova síla do výpusti [7, 8], která pro vertikální směr (tedy pro horizontální uzávěry či výpusti) má tvar:

F1 

S  g  R  k d  k o  S fe  k

(5.23)

5.2 Teorie provzdušňování sypkých materiálů Problematiku provzdušňování sypkých materiálů si lze přiblíţit na jednoduchém zařízení viz Obr. 5.2. Jestliţe se rychlost plynu protékající vrstvou sypkého materiálu zvyšuje, dochází k překonání gravitačních sil a částice se uvedou do pohybu, viz Obr. 5.3.

Obr. 5.2. Provzdušňovací zařízení

Obr. 5.3. Síly působící na částici

zařízení [31]

Při malých rychlostech průtoku proudí plyn vrstvou, aniţ by došlo ke změně uspořádání vrstvy – nehybná vrstva. Budeme-li rychlost zvyšovat, dojde ke změně mezerovitosti vrstvy tím, ţe jednotlivé částice se uspořádají volněji, avšak pořád se sebe navzájem dotýkají – vrstva expanduje. Mezerovitost  je bezrozměrná veličina udávající poměr mezi objemem všech pórů a dutin ve vrstvě sypkého materiálu, vztaţeného k celkovému objemu této vrstvy. Maximální moţná mezerovitost, při které ještě jsou částice v kontaktu, se nazývá v provzdušňovací technice prahovou mezerovitostí mf (viz Obr. 5.4). Tlaková ztráta plynu ve fluidní vrstvě se zvyšuje lineárně se zvětšující se rychlostí aţ do dosaţení prahu fluidizace, viz Obr. 5.5. Prahová mezerovitost můţe být změřena experimentálně změřením výšky expandované vrstvy Lmf [9].

72


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

Platí vztah: L

mf

 Lm 

1  1  mf

(5.24)

p [Pa]

práh fluidizace

práh úletu

Lmf

Lm

U [m.s-1]

Obr. 5.4. Prahová mezerovitost [9]

ustálená vrstva

fluidní vrstva

postupující vrstva

Obr. 5.5. Práh fluidizace [9]

Dalším zvýšením rychlosti se částice od sebe oddělí, dostanou se do vznosu. Nemají jiţ mezi sebou přímý kontakt, jsou plně obtékány plynem. Expandovaná vrstva se změnila na vrstvu fluidní. Typické pro fluidní vrstvu je, ţe při dalším zvyšování rychlosti plynu se nezvyšuje ztráta tlaku, avšak to platí jen do dosaţení další meze. Při dalším vzrůstu rychlosti začne docházet k úletu částic, fluidní vrstva se změní na vrstvu postupující. To ale je stav obvykle neţádoucí. Na Obr. 5.6 je znázorněno pět fází závislých na rychlosti proudění plynu.

Obr. 5.6. Fáze fluidizace [10].

73


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

5.2.1 Určení tlakového spádu ve vrstvě sypkého materiálu Pokud plyn protéká skrz vrstvu sypkého materiálu, bude k fluidizaci pouţita unášecí síla na částice, vyplývající z tlakového spádu před a za vrstvou. Zvyšováním rychlosti proudícího plynu se zvětšuje tlakový spád. Pokud není vrstva sypkého materiálu ničím omezována a vzduch můţe proudit skrze ni, je splněna podmínka ke zvyšování fluidní rychlosti, která způsobí rozpínání vrstvy pomocí unášecích sil. Kdyţ je unášející síla postačující k podpoře hmotnosti částic ve vrstvě, je moţno říci, ţe vrstva je fluidizována. Tlakový spád p skrz vrstvu sypkého materiálu pak zůstává konstantní (dokonce se zvyšující se rychlostí vzduchu) [11]: p 

m  s   F   g s  SV

(5.25)

Jemné, méně husté a soudrţné prášky se velice špatně fluidizují, protoţe mezičásticové síly jsou větší neţ síly gravitační. Částice mají tendenci ke vzájemnému lepení a plyn prochází skrz vytvořené kanály ve vrstvě. 5.2.2 Určení minimální fluidizační rychlosti Zvyšující se rychlost plynu U překročí jistou hranici a přivede vrstvu sypkého materiálu do fluidních podmínek, kde minimální fluidizační rychlost se značí Umf. Byl odvozen vztah pro určení rychlosti Umf z rovnosti vztahu pro tlakový spád skrz konsolidovanou vrstvu a mezerovitosti odpovídající minimální fluidizaci mf k hmotnosti vrstvy na jednotku plochy [11]. Vyjádření Archimédova čísla v sobě obsahuje vztah pro laminární proudění plynu Remf i turbulentní proudění Re2mf. Archimédovo číslo je vyjádřeno vztahem:

Ar  150 

1   mf  2   3mf

 Re mf  1,75 

Re 2mf    3mf

(5.25)

kde   U mf  d 50 Re mf  s 

(5.26)

Pro přibliţný výpočet se výraz pro turbulentní proudění zanedbává a výsledná minimální fluidizační rychlost bude dle [11] rovna:

U mf 

d50 2  s   F   g 1650  

(5.27)

74


Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

KapitolaV. Kapitola I.

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

5.2.3 Odhad mezerovitosti Pro materiál, který nemá vnitřní póry, můţe být mezerovitost odhadnuta z měrné hmotnosti sypkého materiálu S a měrné hmotnosti provzdušněné vrstvy B:

   1 B s Vyjádření mezerovitosti při minimální fluidizaci je rovno [10]:  mf  1 

 B mf

(5.28)

(5.29)

s

kde  Bmf 

hmotnost částic ve vrstvě objem vrstvy při rychlosti U mf

(5.30)

5.2.4 Tvarový faktor částic Tvarový faktor částice  je poměr ploch povrchů [10]:



plocha povrchu koule daného objemu plocha povrchu částice toho samého objemu

(5.31)

Tento poměr je velice jednoduché zjistit pro pravidelné geometrické povrchy částic, ale mnohem těţší stanovit pro nepravidelné částice. 5.2.5 Klasifikace fluidizovaných sypkých materiálů V roce 1973 byly Geldartem (viz Obr. 5.7) sypké materiály roztříděny do čtyř skupin v závislosti na rozměrech částic d50 a na rozdílu měrné hmotnosti částic a proudícího média (s-F).Byly vytvořeny čtyři skupiny materiálů A, B, C a D podle vhodnosti ke fluidizaci. Jak je vidět na následujících obrázcích, tak velikost částic ovlivňuje přitaţlivé mezičásticové síly a hmotnost částic ovlivňuje výslednou gravitační sílu (tíhu) částic, která je důleţitým faktorem pro výslednou unášecí sílu.

Obr. 5.7. Roztřídění fluidizovaných materiálů [10]. 75


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

Částice ve skupině A (viz Obr. 5.8) jsou středně velké a středně soudrţné částice. Fluidizační chování leţí mezi skupinami typu B a C. Od skupiny B se odlišují skutečností, ţe patrná expanze vrstvy sypkého materiálu je těsně nad minimální fluidizační rychlostí Umf, Obr. 5.8. Materiály typu A [10].

dokonce před znatelnou tvorbou bublin.

Částice sypkého materiálu skupiny B se fluidizují lehce (viz Obr. 5.9). Při minimální nebo lehce nad minimální fluidizační rychlostí Umf dochází k tvorbě bublin. Malá je také expanze fluidizovaného materiálu. Mezi sypké materiály skupiny B se řadí stavební písek, kuchyňská sůl nebo skleněné kuličky (balotina). Větší rozměry částic samozřejmě zmenšují mezičásticové Obr. 5.9. Materiály typu B [10].

přitaţlivé síly.

Částice skupiny C (Obr. 5.10) jsou silně soudrţné (kohezivní) se sklonem k tvorbě kanálů a komínů při samotné fluidizaci. Klasická fluidizace je velmi sloţitá či dokonce nemoţná. Do skupiny C se řadí materiály jako mouka či cement. Obr. 5.10. Materiály typu C [10].

Částice ve skupině D (Obr. 5.11) jsou hrubé, velké částice nebo částice s velkou měrnou hmotností. Takové částice mají sklon ke tryskání neţ k vlastní fluidizaci. K reprezentantům této skupiny patří kávová zrna či rozdrcený vápenec. Obr. 5.11. Materiály typu D [10].

76


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

5.3 Experimentální činnost Experimentální činností bylo snímání vertikálních a horizontálních tlaků v zásobníku sypkých hmot při procesu provzdušňování sypkých hmot a bez provzdušňování. Ze získaných výsledků se pak provedla analýza úhlu vnitřního tření a analýza napjatosti v sypkých hmotách. Veškerá experimentální činnost byla provedena v Laboratoři sypkých hmot (LSH®) Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava. 5.3.1 Horizontální tlaky σ2 Měření horizontálních tlaků 2 sypké hmoty v zásobníku bylo provedeno pomocí tří měřících posuvných desek osazených tenzometrickými snímači. Principiálně šlo o snímání tlaku na kruhový element měřící posuvné desky, který vychýlil z původní polohy tenzometrický snímač, coţ vyvolalo změnu odporu v měřícím můstku. Tato změna byla snímána a zaznamenávána přes AD kartu speciálně upraveným programem, který vyvolané změně udávané v mV přisoudil hodnotu tlaku v Pa. K vytvoření závislosti horizontálního tlaku 2 na výšce materiálu v zásobníku, byly posuvné desku s tenzometry umísťovány při kaţdém měření do jasně definovaných hloubek a zároveň byla měřena volná hladina sypké hmoty v zásobníku. Při kaţdém měření byly současně snímány horizontální tlaky 2 ve třech bodech zásobníku s cílem proměřit celou výšku válcové části. Měření se skládalo z následujících fází: 1. napouštění zásobníku 2. relaxace – doba trvání 240s 3. provzdušňování – doba trvání 60s 4. relaxace – doba trvání 240s 5. provzdušňování – doba trvání 60s 6. relaxace – doba trvání 240s 7. provzdušňování – doba trvání 60s 8. relaxace – doba trvání 240s 9. vypouštění zásobníku. Čas napouštění zásobníku se pohyboval průměrně na hodnotě 600 sekund. Okamţitě po napuštění zásobníku sypkou hmotou začala fáze 0. relaxace, kdy se čekalo na ustálení měřících křivek. Tato fáze trvala 240 sekund. V dalších fázích docházelo k pravidelnému střídání fáze provzdušňování

sypké

hmoty

a

fáze

relaxace.

Doba

provzdušňování

za

pomocí 77


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

provzdušňovacího systému byla na základě moţností stanovena na 60 sekund. Jmenované dvě fáze, provzdušňování a relaxace, se vystřídaly celkem třikrát. Po 3. relaxaci byl otevřen výpustný otvor a zásobník byl vyprázdněn. Na grafu (viz Graf 5.1) je znázorněn typický průběh jedné sady měření, kde modrá křivka reprezentuje nejníţe umístěný snímač, zelená křivka reprezentuje prostřední snímač a červená nejvýše umístěný snímač. Jednotlivé fáze měření jsou pro lepší orientaci v barevných rámečcích s popisem dané fáze. Fáze napouštění a vypouštění jsou v černých rámečcích, relaxační oblast je ve světle modrých a provzdušňovací oblast je ve fialových rámečcích. Graf 5.1. Průběh jednoho měření [16]. oblast napouštění zásobníku oblast 0.relaxace oblast 1.provzdušňování oblast 1.relaxace oblast 2.provzdušňování oblast 2.relaxace oblast 3.provzdušňování oblast 3.relaxace

oblast vypouštění zásobníku

Pro experimentální měření byla pouţita data pouze z fáze 2 aţ fáze 8. Oblast napouštění a vypouštění zásobníku (fáze 1 a fáze 9) byla pouze sledována. Graf 5.2. Sledované sekce měření [16]. 1.provzdušňování-začátek

1.provzdušňování-konec

2.provzdušňování-začátek

2.provzdušňování-konec

3.provzdušňování-začátek

3.provzdušňování-konec

3.relaxace-začátek

0.relaxace-začátek

0.relaxace-konec

1.relaxace-začátek

1.relaxace-konec

2.relaxace-začátek

2.relaxace-konec

3.relaxace-konec

78


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

Vzhledem ke zřejmé časové závislosti u oblastí relaxace sypké hmoty v zásobníku byly sledované oblasti rozděleny na přibliţné poloviny, aby bylo moţno sledovat změny tlaku na začátku a na konci relaxace a provzdušňování. Upravené schéma měření je vidět na Grafu 5.2 a z toho vyplývající nové mezifáze: 1) 0. relaxace – začátek

8) 2. provzdušňování – konec

2) 0. relaxace – konec

9) 2. relaxace – začátek

3) 1. provzdušňování – začátek

10) 2. relaxace – konec

4) 1. provzdušňování – konec

11) 3. provzdušňování – začátek

5) 1. relaxace – začátek

12) 3. provzdušňování – konec

6) 1. relaxace – konec

13) 3. relaxace – začátek

7) 2. provzdušňování – začátek

14) 3. relaxace – konec

Tímto způsobem byla proměřená celá výška materiálu v experimentálním zásobníku. Soubor naměřených dat byl zpracován graficky (viz Graf 5.3) s vyuţitím proloţení naměřených hodnot exponenciální regresní křivkou. Křivka původních naměřených hodnot kaţdého měřícího cyklu i její příslušná regrese mají stejnou barvu z důvodu lepší orientace. V grafu jsou patrné dvě dominantní oblasti, a to oblast při relaxaci sypké hmoty a při jejím provzdušňování. Graf 5.3. Naměřená a regresní křivkou proloţená data [16]. Horizontální tlaky 2 - naměřené hodnoty a regresní křivky při relaxaci a provzdušňování sypké hmoty

Výška materiálu ve válcové části zásobníku [m]

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Horizontální tlak 2 [Pa] 0.relaxace 2.relaxace-začátek 1.provzdušňování-začátek 3.provzdušňování-začátek 1.relaxace-začátek 3.relaxace-začátek 2.provzdušňování-začátek

0.relaxace-konec 2.relaxace-konec 1.provzdušňování-konec 3.provzdušňování-konec 1.relaxace-konec 3.relaxace-konec 2.provzdušňování-konec

1.relaxace-začátek 3.relaxace-začátek 2.provzdušňování-začátek 0.relaxace-začátek 2.relaxace-začátek 1.provzdušňování-začátek 3.provzdušňování-začátek

1.relaxace-konec 3.relaxace-konec 2.provzdušňování-konec 0.relaxace-konec 2.relaxace-konec 1.provzdušňování-konec 3.provzdušňování-konec

79


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

5.3.2 Vertikální tlaky σ 1 Měření vertikálních tlaků 1 sypké hmoty v zásobníku bylo provedeno pomocí 3D snímače [12]. Principiálně šlo o snímání tlaku na kruhový element osazený nalepeným tenzometrickým snímačem. Deformací tenzometrického snímače došlo ke změně odporu, a tato změna byla snímána a zaznamenávána přes AD kartu speciálně upraveným programem, který vyvolané změně udávané v mV přisoudil hodnotu tlaku v Pa. K vytvoření závislosti vertikálního tlaku 1 na výšce materiálu v zásobníku byl 3D snímač umísťován při kaţdém měření do jasně definovaných hloubek (viz Obr. 5.12) a zároveň byla měřena volná hladina sypké hmoty v zásobníku. Tyto měřené hloubky byly identické s hloubkami při měření horizontálních tlaků 2. Samotné měření se skládalo z následujících fází: 1) napouštění zásobníku 2) relaxace – doba trvání 240s 3) provzdušňování – doba trvání 60s 4) relaxace – doba trvání 240s 5) provzdušňování – doba trvání 60s 6) 2. relaxace – doba trvání 240s 7) provzdušňování – doba trvání 60s 8) 3. relaxace – doba trvání 240s 9) vypouštění zásobníku. Obr. 5.12. Schéma měření [16]. Graf 5.4. Snímání vertikálního tlaku 3D snímačem umístěným nad provzdušňovacím elementem [16]. oblast napouštění zásobníku oblast 0.relaxace

oblast 1.provzdušňování

oblast 1.relaxace

oblast 2.provzdušňování

oblast 2.relaxace oblast 3.provzdušňování oblast 3.relaxace

80


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

Snímání veličin vertikálního tlaku 1 bylo obdobné jako při měření horizontálních tlaků 2 i s půlenými fázemi. Čas napouštění zásobníku byl variabilní a závisel na měřené hloubce materiálu nad 3D snímačem. Okamţitě po napuštění zásobníku sypkou hmotou začala fáze 0. relaxace, kdy se čekalo na ustálení měřících křivek. Tato fáze měla trvání 240 sekund. V dalších fázích docházelo k pravidelnému střídání fáze provzdušňování sypké hmoty a fáze relaxace. Doba provzdušňování za pomocí provzdušňovacího systému byla určena na 60 sekund. Tyto dvě fáze (provzdušňování a relaxace) se vystřídaly celkem třikrát. Po fázi 3. relaxace byl otevřen výpustný otvor a zásobník byl vyprázdněn. Vypouštění zásobníku jiţ nebylo sledováno z bezpečnostních důvodů, neboť 3D snímač se v této fázi začal pohybovat spolu se sypkou hmotou směrem k výpustnému otvoru. Graf 5.5. Snímání vertikálního tlaku 3D snímačem umístěným pod provzdušňovacím elementem [16]. oblast napouštění zásobníku oblast 0.relaxace oblast 1.provzdušňování

oblast 1.relaxace oblast 2.provzdušňování oblast 2.relaxace oblast 3.provzdušňování oblast 3.relaxace

81


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

Jak je patrné z obrázku (Obr. 5.12), tak provzdušňovací element byl stabilně umístěn v poloze 1,1 metrů od horního okraje zásobníku. Jednotlivé fáze měření jsou pro lepší orientaci v barevných rámečcích s popisem dané fáze. Fáze napouštění je v černém rámečku, relaxační oblast je ve světle modrých a provzdušňovací oblast je ve fialových rámečcích. Na výše zobrazených grafech, je zřejmé, ţe vertikální tlaky 1 snímané nad provzdušňovacím elementem byly tímto zařízením sniţovány (viz Graf 5.4) a při umístění 3D snímače pod provzdušňovací element dochází ke zvyšování vertikálních tlaků 1 (viz Graf 5.5). 5.3.3 Určení úhlu vnitřního tření φe Cílem analýzy je určení vlivu provzdušňování a relaxace na změnu úhlu vnitřního tření φe. V první části byl pouţit vztah (5.2) pro aktivní stav napjatosti k určení úhlu vnitřního tření φe za pomocí hlavních tlaků 1 a 2. Vztah byl upraven do podoby:

   2    e  arcsin  1  1   2 

(5.32)

Změřené vertikální tlaky 1 a horizontální tlaky 2 pro příslušné hloubky sypké hmoty jsou dosazeny do vztahu (5.32) a jsou vytvořeny příslušné grafy pro jednotlivé fáze měření. Graf 5.6. Změna úhlu vnitřního tření pro fáze 0.relaxace-konec versus 1.provzdušňování-začátek [16].

Úhel vnitřního tření e pro fáze 0.relaxace-konec + 1.provzdušňování-začátek a jejich rozdíl 0,00

výška materiálu ve válcové části zásobníku [m]

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

-30,00

-20,00

-10,00

1,40 0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

úhel vnitřního tření e [deg] 0.relaxace konec

1.provzdušňování začátek

rozdíl

82


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

Jako příklad je uvedena analýza fáze relaxace-konec versus provzdušňování-začátek. Pro zobrazení výsledku výpočtu úhlu vnitřního tření φe byla vybrána fáze 0.relaxace-konec a 1.provzdušnění-začátek (viz Graf 5.6). Z grafu je zcela jasně patrné, ţe při provzdušňovací fázi dochází k výraznému poklesu hodnot úhlu vnitřního tření, který je nejpatrnější v oblasti nad 0,7m hloubky sypké hmoty, coţ je prostor, kde byl umístěn provzdušňovací element. Vypočítaná střední hodnota úhlu vnitřního tření φe pro fázi 0.relaxace-konec má hodnotu 24,74° a střední hodnota úhlu vnitřního tření φe pro fázi 1.provzdušňování-začátek (viz ţlutá křivka) má hodnotu 12,19°. 5.3.4 Aktivní a pasivní stav napjatosti ovlivňující vybrané tlakové teorie Aktivní stav napjatosti je charakterizován nerovností hlavních tlaků 1 > 2 a z toho vyplývající koeficient aktivního tlaku kA, viz vzorec (5.2). Nerovnost hlavních tlaků 2 > 1 je charakteristická pro pasivní stav napjatosti. Pro tento stav je koeficient sypnosti charakterizován vzorcem (5.3). Koeficient sypnosti či koeficient tlaku (různí autoři pouţívají různé vyjádření pro tutéţ hodnotu) je součástí originální Janssenovy teorie a normy ČSN 73 5570 [5]. Dosazením koeficientů aktivního a pasivního tlakového stavu do rovnic (9.6) a rovnice vertikálního tlaku dle ČSN 73 5570 a změně úhlu vnitřního tření φe v rozmezí od 0° do 30° obdrţíme Graf 5.7. V grafu jsou výsledky vertikálního tlaku 1 pro pasivní stav napjatosti vyznačeny čárkovanou čarou a výsledky vertikálního tlaku 1 pro aktivní stav napjatosti plnou čarou. Hodnota vertikálního tlaku 1 pro hodnotu úhlu vnitřního tření φe = 0° je totoţná pro oba stavy napjatosti, a je jakousi dělící čarou mezi aktivním a pasivním stavem napjatosti. Z grafu je také patrné, ţe minimálních vertikálních tlaků 1 je dosaţeno při pasivním stavu napjatosti pro hodnotu vnitřního tření φe = 30° a maximálních vertikálních tlaků 1 je dosaţeno při aktivním stavu napjatosti pro hodnotu vnitřního tření φe = 30°.

83


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

Graf 5.7. Vliv aktivního a pasivního stavu napjatosti na vertikální teorie dle Janssena a ČSN 73 5570 [16].

Vertikální tlaky 1 dle Janssena a ČSN 73 5570 v aktivním a pasivním stavu napjatosti při změně  e

Výška materiálu ve válcové části zásobníku [m]

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40 0

1000

2000

3000 4000 Vertikální tlaky 1J [Pa]

5000

6000

7000

aktivní tlak při Fie=30°

aktivní tlak při Fie=25°

aktivní tlak při Fie=20°

aktivní tlak při Fie=15°

aktivní tlak při Fie=10°

aktivní tlak při Fie=5°

aktivní tlak při Fie=0°

pasivní tlak při Fie=30°

pasivní tlak při Fie=25°

pasivní tlak při Fie=20°

pasivní tlak při Fie=15°

pasivní tlak při Fie=10°

pasivní tlak při Fie=5°

pasivní tlak při Fie=0°

Při zjišťování vlivu aktivního a pasivního stavu napjatosti na horizontální tlaky 2 pro originální teorii dle Janssena a českou výpočtovou normu ČSN 73 5570 byla pouţita stejná pravidla jako pro zobrazení vertikálních tlaků 1 a rovnice (5.7) a rovnice horizontálního tlaku dle ČSN 73 5570. Graf 5.8 je výsledkem analýzy vlivu aktivního a pasivního stavu napjatosti na horizontální tlaky 2. Z grafu je patrné, ţe horizontální tlak 2 pro hodnotu úhlu vnitřního tření φe = 0° pro aktivní i pasivní stav napjatosti má identickou křivku a je mezníkem mezi zobrazenými horizontálními tlaky 2 v aktivním a pasivním stavu. Nejniţších hodnot horizontálního tlaku 2 nabývá při aktivním stavu napjatosti pro úhel vnitřního tření φe = 0°. A maximálních hodnot je dosaţeno při pasivním stavu napjatosti pro úhel vnitřního tření φe = 0°.

84


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

Graf 5.8. Vliv aktivního a pasivního stavu napjatosti na horizontální tlaky dle Janssena a ČSN 73 5570 [16]. Horizontální tlaky 2 dle Janssena a ČSN 73 5570 v aktivním a pasivním stavu napjatosti při změně  e 0,00

Výška materiálu ve válcové části zásobníku [m]

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40 0

500

1000

1500 Horizontální tlaky 2J+ČSN [Pa]

2000

2500

3000

aktivní tlak při Fie=30°

aktivní tlak při Fie=25°

aktivníí tlak při Fie=20°

aktivní tlak při Fie=15°

aktivní tlak při Fie=10°

aktivní tlak při Fie=5°

aktivní tlak při Fie=0°

pasivní tlak při Fie=30°

pasivní tlak při Fie=25°

pasivní tlak při Fie=20°

pasivní tlak při Fie=15°

pasivní tlak při Fie=10°

pasivní tlak při Fie=5°

pasivní tlak při Fie=0°

Při porovnání výše uvedených grafů lze dojít k závěru, ţe zmíněné teorie reagují jinak při přechodu mezi aktivním a pasivním stavem napjatosti. Tab. 5.1. Porovnání teorií ovlivněných stavem napjatosti [16].

Tlakové teorie Janssen, ČSN 73 5570 – vertikální tlak Janssen, ČSN 73 5570 – horizontální tlak

minimum (stav, e)

přechod mezi aktivním a pasivním stavem napjatosti (stav, e)

maximum (stav, e)

pasivní 30°

pasivní i aktivní 0°

aktivní 30°

aktivní 30°

pasivní i aktivní 0°

pasivní 30°

V Tab. 5.1 jsou zachyceny stavy, při kterých dochází k minimu či maximu daných teorií, a pokud je přesně vymezen přechod mezi aktivním a pasivním stavem napjatosti, tak je také uveden. V oblasti vertikálních tlaků 1 se tyto tlaky sniţují při přechodu z aktivní do pasivní části napjatosti pro stejný úhel vnitřního tření e. Naproti tomu při přechodu z aktivního do 85


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

pasivního stavu napjatosti v horizontálních tlacích 2 dochází k jejímu zvýšení (viz Tab. 5.2). Originální Janssenova teorie a norma ČSN 73 5570 mají přesně vymezen přechod mezi aktivním a pasivním stavem napjatosti, a tím je tlaková křivka pro úhel vnitřního tření e = 0°. Tab. 5.2. Tendence klesání a růstu tlaků pro proměnné úhly vnitřního tření e [16].

Tlakové teorie Janssen, ČSN 73 5570 – vertikální tlak Janssen, ČSN 73 5570 – horizontální tlak

klesající úhel vnitřního tření e tendence tlaku při tendence tlaku při pasivním aktivním stavu napjatosti stavu napjatosti 

86


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

Reference [1]

Cvekl, Z. - Janovský, L. - Podivínský, V. - Talácko, J. Teorie dopravních a manipulačních zařízení, Praha: ČVUT Ediční středisko, 1984, 286 stran.

[2]

Drescher, A. Analytical Methods in Bin-Load Analysis, Amsterdam-OxfordNew York-Tokyo: Elsevier 1991, 256 pages, ISBN 0-444-88368-1.

[3]

Janssen, H. A. Versuche über getreidedruck in silozellen, Zeitschrift des Vereines Deutscher Ingenieure, Band XXXIX, No. 35, 31. August 1895, s. 1045-1049.

[4]

Kézdi, A. Handbook of soil mechanics, Budapest: Akademiai Kiado, 1974.

[5]

Norma ČSN 73 5570, Navrhování konstrukcí zásobníků, Praha: Český normalizační institut, 1980

[6]

Norma DIN 1055, teil 6, Lastannahmen für Bauten, Lasten in Silozellen, Berlin 1987

[7]

Pešat, Z. Manipulace s materiálem v hutích, Ostrava: VŠB – TU Ostrava, 1992, ISBN 80-7078-107-6.

[8]

Polák, J. - Pavliska, J. - Slíva, A. Dopravní a manipulační zařízení I, Ostrava: VŠB – TU Ostrava, 2001, ISBN 80-248-0043-8.

[9]

Praktická cvičení předmětu Chemické inţenýrství – Fluidizace, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta chemická, Ústav chemie materiálů, Fakulta strojního inţenýrství, Ústav procesního a ekologického inţenýrství.

[10]

Ruud van Ommen, J. Introduction to Fluidized Bed Technology, Delft University of Technology, Glatt Seminary 18 March 2003.

[11]

Seville, J. P. K. - Tüzün, U. - Clift, R. Processing of Particulate Solids, London: Chapman & Hall, 1997, ISBN 0 7514 0376 8.

[12]

Slíva,

A.

Sledování

napěťového

stavu

sypké

hmoty

pomocí

3Dimenzionálního (tříosového) snímače, Ostrava: VŠB – Technická univerzita Ostrava, 2004, 109 stran, ISBN 80-248-0629-0. [13]

Tardos, G. I. Stresses in Bins and Hoppers, www.erpt.org/992Q/tard-00.htm, Department of Chemical Engineering, The City College of the City University of New York.

[14] Zegzulka, J. Mechanika sypkých hmot, Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2004, ISBN 80-248-0699-1. 87


KapitolaV. Kapitola I.

Provzdušňování svislých skladovacích systémů sypkých hmot Dopravní a liniové stavby

[15]

www.dietmar-schulze.com

[16]

LSH®

Autor: Ing. Robert Brázda, Ph.D. Autor: Ing.

88


KAPITOLA VI. NOVÉ TECHNOLOGIE V OBLASTI PÁSOVÝCH DOPRAVNÍKŮ Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D.

6

Úvod Pásový dopravník je dopravník, jehoţ unášecím a taţným prvkem je nekonečný dopravní pás obíhající mezi hnacím a vratným bubnem doplněný dalšími konstrukčními prvky potřebnými pro provoz dopravníku. Je určen pro přímočarou vodorovnou a úklonnou dopravu sypkých hmot (za určitých okolností i kusových materiálů nebo osob) na krátké, střední i dlouhé vzdálenosti (dálková pásová doprava). Výhodou oproti jiným dopravním zařízením je plynulá doprava s vysokým dopravním výkonem. Pásové dopravníky patří mezi nejrozšířenější dopravní prostředky v různých průmyslových odvětvích. Díky tomuto faktu se velice rychle rozvíjí po stránce konstrukční (vzhledem k jejich výkonnosti) a nacházejí uplatnění v nejrůznějších provozních podmínkách, především v plynulé hromadné dopravě materiálů. Výhody pásových dopravníků vzhledem k jiným dopravním prostředkům, především co se týče výkonnosti, hospodárnosti provozu a údrţby jsou stále větší. Největšími subjekty v naší republice pouţívajícími různé způsoby dopravy materiálu jsou mezi jinými především povrchové doly. Doprava na povrchových (ale téţ hlubinných) dolech představuje jeden z nejdůleţitějších článků technologie dobývání, bez kterého nelze realizovat těţební proces. Charakter povrchového dobývání vyţaduje přemísťování velkého mnoţství nadloţních vrstev hornin na výsypku, obvykle na velké vzdálenosti a zároveň dopravu těţených uţitkových nerostů k dalšímu zpracování či úpravě. V těţebním procesu povrchového dolu se v zásadě pouţívají tři základní způsoby dopravy:  přetrţitá (cyklická) doprava (kolejová, automobilová),  kontinuální doprava (pásová doprava, příp. hydraulická doprava),  kombinovaná doprava.

89


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Všechny základní způsoby dopravy na povrchových dolech, tj. kolejová, automobilová a pásová mají své určité pouţití vyplývající jednak z jejich technických moţností a předpokladů, jednak z ekonomiky provozu. Po pouţití jednotlivých výše uvedených způsobů dopravy lze uvést následující přibliţná kritéria:  kolejová doprava – vhodná pro střední aţ větší hodinová dopravovaná mnoţství (cca do max. 5 000 m3.h-1), velké dopravní vzdálenosti (5 – 15 km) a malá stoupání trasy (cca max. 4°). Stavební investice a náklady na údrţbu jsou velké,  automobilová doprava - vhodná pro malá aţ střední hodinová dopravovaná mnoţství (cca do max. 1 500 – 2 000 m3.h-1), malé aţ střední vzdálenosti (2 – 8 km) a střední stoupání trasy (cca max. 18°). Vhodné zejména pro krátkodobé akce,  pásová doprava - vhodná pro největší hodinová dopravovaná mnoţství (aţ do 20 000 m3.h-1 i větší), střední aţ velké dopravní vzdálenosti (3 – 15 km i větší) a velké stoupání trasy. Stavební investice (terénní úpravy) jsou poměrně malé. V dalších kapitolách se budu zabývat posledně jmenovaným způsobem přepravy sypkých materiálů, neboť se pásová doprava postupem času ukázala být nejefektivnějším způsobem přepravy materiálů nejen na povrchových a hlubinných dolech. Pásové dopravníky postupem času získaly uplatnění také v dalších odvětvích lidské činnosti. Z tohoto důvodu je nezbytně nutné neustále zlepšovat jejich parametry a to jak z pohledu ekonomického tak také konstrukčního a tím zefektivňovat jejich provoz.

6.1 Rozdělení pásové dopravy Pod pojmem pásová doprava je obecně zahrnována veškerá doprava sypkých materiálů prováděna pásovými dopravníky tvořícími funkční část jednotlivých strojů a zařízení. Rozdělení pásové dopravy lze v zásadě provést dle účelu nasazení do dvou základních skupin – pásové dopravy dálkové a technologické (viz tab. 6.1). Dálková doprava se od technologické pásové dopravy v podstatě liší vyšší dopravní objemovou výkonností Qt > 1 000 m3.h-1 a vyšší rychlostí dopravního pásu v > 2,5 m.s-1.

90


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Tab. 6. 1. Rozdělení pásové dopravy

Pásová doprava Dálková pásová doprava (DPD) Těţba nerostů povrchovým způsobem, přeprava na velké vzdálenosti. Pásové dopravníky Příslušenství Přesuvné Shazovací vozy Stabilní (odtahové, spojovací)

Skrývkové (porubní) Výsypkové (zakládací)

Pásové vozy

Pásové dopravníky na strojích

Vynášecí mosty

Technologická pásová doprava (TPD) Součást technologického procesu výroby Pásové dopravníky Příslušenství Pojízdné Shazovací vozíky Reverzní Rozdělovací

Stabilní

Rozdělovací stanice

Pevné shazovače

Pásové dopravníky lze dále rozdělit s ohledem na jejich sklon, který významně ovlivňuje jejich řešení:  vodorovné (-3° < ε < 3°)  šikmé  dovrchní (3° < ε < 15° /18°/)  úpadní (ε < -3°)  strmé (ε > 20°) Úpadními dopravníky nazýváme šikmé dopravníky, dopravující materiál směrem dolů, jejichţ sklon je takový, ţe pro dopravu jmenovitého dopravního mnoţství jsou odpory proti pohybu dopravního pásu menší, neţ příslušná sloţka tíhy dopravovaného materiálu ve směru pohybu, tj. ţe dopravník musí být trvale provozován jako motoricky brzděný a pracuje v generátorovém reţimu.

Obr. 6. 1. Schéma pásového dopravníku s pásem podepřeným válečky [1] 1 - dopravní pás, 2 – horní váleček, 3 – horní větev pásu, 4 – dolní váleček, 5 – dolní větev pásu, 6 - hnací buben, 7 – vratný buben, 8 – mechanismus napínání pásu, 9 – naváděcí bubny, 10 – nosná konstrukce, 11 - čističe pásu nosné strany, 12 - čističe pásu odvrácení strany, 13 – čističe bubnu, 14 – násypka, 15 – dopadová stolice, 16 – boční plechy, 17 – přesyp

91


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Konstrukční schéma pásového dopravníku je znázorněné na obr. 6.1. Základními konstrukčními prvky jsou:  poháněcí stanice,  vratná stanice,  napínací stanice,  nosné válečky,  dopravní pás,  doplňující a ochranné zařízení. Všechny výše vypsané prvky jsou nesené nosnou konstrukcí pásového dopravníku. Pásové dopravníky mohou být stabilní, mobilní a přenosné. Kaţdý z těchto typů dopravníků se vyznačuje určitými zvláštnostmi nosné konstrukce s ohledem na účel pouţití dopravního pásu.

6.2 Teorie přenosu síly třením Je li taţný element (lano, dopravní pás) opásán kolem kotouče (bubnu) pod úhlem  a oba jeho konce jsou zatíţeny sílami Fn, Fo, vzniká na povrchu kotouče (bubnu) tření, které do určité míry zabraňuje prokluzu taţného elementu.

Obr. 6. 2. Síly na taţném elementu.

Poměr sil, při kterém ještě nedojde ke smeknutí taţného elementu, je znázorněn na obr. 6.2

92


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Síly f a f+df rozloţíme do dvou kolmých sloţek:

f

 df   cos

d d  f  cos    dN 2 2

f

 df   sin

d d  f  sin  dN 2 2

Po úpravě dosazením za cos

d d d d dostaneme vztahy:  1 a sin  tg  2 2 2 2

df    dN dN  f  d

Porovnáním těchto rovnic získáme vztah:

df    f  d 

Fn

df F f    0 d o

Řešením dostaneme známou Eulerovou rovnici pro vláknové tření:

Fn  e   Fo

(6.1)

kde  je součinitel tření mezi taţným elementem a kotoučem (bubnem). Vztah e  je pak nazýván faktorem tření. Eulerova rovnice vyznačuje mezní stav. Při zvětšení nabíhající síly Fn by došlo k relativnímu pohybu mezi taţným elementem a kotoučem (bubnem) v celém geometrickém úhlu opásání. Došlo by tedy k prokluzu taţného elementu. Proto bychom měli tuto rovnici správně psát jako:

Fn max Fo

 e    Fn max  Fo  e  

(6.2)

93


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Obr. 6. 3. Taţné síly na třecím kotouči (bubnu) [4].

Obr. 6. 4. Taţné síly na bubnu nebo kotouči v rozvinutém tvaru [4].

Maximální obvodovou sílu, kterou lze na kotouči (bubnu) za daných podmínek (Fn max; Fo; ; ) přenést, určíme ze vztahu:

Fn max Fo

 e    Fmax  Fn max  Fo  Fo  e    1

(6.3)

Ve skutečnosti vyuţíváme k přenosu obvodové síly F jen část úhlu opásání, tzv. aktivní úhel  (obr. 6.3). Někdy se tomuto úhlu říká vyuţitý úhel opásání. Rozdíl mezi těmito úhly  se nazývá klidovým úhlem. Tah v taţném elementu v rozmezí aktivního úhlu  exponenciálně vzrůstá z hodnoty Fo na hodnotu Fn, která se jiţ v oblasti klidového úhlu  nemění. Na obr. 6.4 je tento průběh znázorněn v rozvinutém tvaru. Klidový úhel nám tedy určuje bezpečnost provozu. 94


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Skutečně budeme na třecím kotouči (bubnu) přenášet obvodovou sílu:

F  Fn  Fo  Fo  e    1

(6.4)

Při znalosti tahů Fn a Fo v taţném elementu můţeme z této rovnice určit velikost potřebného aktivního úhlu:



1

 lg

Fn Fo

(6.5)

Míru bezpečnosti proti prokluzu taţného elementu na kotouči (bubnu) definujeme jako poměr maximální a skutečné přenášené obvodové síly:

Fmax Fo  e    1 k  F Fn  Fo

(6.6)

Taţný element vykonává v rozmezí aktivního úhlu  vzhledem ke kotouči (bubnu) jistý relativní pohyb, který se nazývá plazení. V rozmezí klidového úlu  k tomuto pohybu nedochází a taţný element se pohybuje stejnou rychlostí jako obvod kotouče (bubnu). Taţný element je pruţné těleso, u kterého předpokládáme platnost Hookova zákona. Jeho poměrné prodlouţení se zmenšuje plynule z hodnoty  1 

Fn F na hodnotu  2  o v rozmezí aktivního úhlu. Taţný ES ES

element se tedy postupně zpoţďuje za obvodem třecího kotouče (bubnu). Rychlost taţného elementu před a za kotoučem (bubnem) se tedy liší. Rychlost plazení můţeme dle Idelbergera určit ze vztahu: v p  v1  v2  v1 

F ES

(6.7)

kde v1 je rychlost taţného elementu při náběhu na kotouč (buben) [m.s-1], F – obvodová síla na bubnu [N], E – modul pruţnosti materiálu taţného elementu [Pa], S – nosný průřez taţného elementu [m-2]. Rychlost plazení bývá například u běţných pásových dopravníků asi jen 1 % rychlosti v1, avšak má vliv na opotřebení oběţné strany pásu a především plášťů poháněcích bubnů.

6.3 Teorie pásové dopravy Pro pohyb dopravního pásu platí obecně rovnice:

F  Fr  m  a  0

(6.8) 95


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

kde F je okamţitá poháněcí síla, Fr – celkový pohybový odpor, m – celková setrvačná hmota redukovaná do pásu (zahrnuje vlastní hmotu pásu, hmotu materiálu, všech rotujících částí jako např. válečky, bubny, motory, převodovky apod.), a – okamţité zrychlení (zpoţdění) pásu. Při vyšetřování podmínek pro přenos poháněcí síly vycházíme z předpokladu, ţe pás je naloţen jmenovitým mnoţstvím těţiva a pohybuje se rovnoměrným pohybem  F  Fr , a  0 . U pásů s textilní nebo polyamidovou kostrou, jejichţ nosný průřez se skládá z určitého počtu vloţek, se při výpočtu sil a rychlostí nebere v úvahu tloušťka krycí vrstvy na oběţné straně pásu. Předpokládáme, ţe rychlost v místě náběhu pásu na hnací buben je totoţná s obvodovou rychlostí bubnu. Vyšetřování sil provádíme na povrchu bubnu. 6.3.1 Jednobubnový pohon Jednobubnový pohon pásového dopravníku je na obr. 6.5 a platí pro něj vztahy uvedené ve zmíněné kapitole. Ohledně míry bezpečnosti proti prokluzu dopravního pásu na hnacím bubnu uvaţujeme k  1,3 .

Obr. 6. 5. Taţné síly na jednobubnovém pohonu [1].

6.3.2 Dvoububnový pohon Nejběţnější uspořádání pohonů důlních pásových dopravníků je dvoububnové (obr. 6.6). Pokud se bude plně vyuţívat úhlů opásání 1 a 2, lze tento pohon řešit jako pohon jednobubnový s uvaţováním faktoru tření: E  e 11  2  2 

(6.9)

Jak je patrné z obr. 6.6a, pás nabíhá na první buben v bodě A0 (nabíhající síla je při plném vyuţití úhlu opásání Fn max) a odbíhá v bodě B0 (odbíhající síla F12). Na druhý buben nabíhá

96


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

v bodě D0 (nabíhající síla je rovna odbíhající síle z prvního bubnu, tj. F12) a odbíhá v bodě E0 (odbíhající síla Fo). Součinitel tření mezi nosnou (těţivem znečištěnou, navlhčenou) stranou dopravního pásu a povrchem prvního bubnu označíme 1 a součinitel tření mezi oběţnou (suchou, neznečištěnou) stranou pásu a povrchem druhého bubnu označíme 2. Obvodová síla přenášená prvním bubnem bude F1 max a druhým bubnem pak F2.

Fn max  F12  e 1 1

F1 max  Fn max  F12  F12  e 11  1

Obr. 6. 6. Taţné síly na dvoububnovém pohonu [1]

Pro druhý buben platí: F12  Fo  e  2  2

F2  F12  Fo  Fo  e  2  2  1

97


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Celý dvoububnový pohon popíšeme sloučením výše uvedených vztahů:

Fn max  Fo  e 11  2  2 

(6.10)

Fmax  F1 max  F2  Fn max  Fo  Fo  e 1 1  2  2   1

(6.11)

Prakticky ani u dvoububnového pohonu nemůţeme vyuţívat plně úhlů opásání 1 a 2. Skutečná velikost nabíhající síly Fn bude menší neţ Fn max. Úhel klidu (obr. 6.6b) se vytvoří na prvním bubnu. Na oblouku A0C0 se tedy nepřenáší ţádná síla. Ta se přenáší jen na oblouku B0C0, který odpovídá aktivnímu úhlu  a její označení je F1. Silové poměry na prvním bubnu budou určeny vztahy: Fn  F12  e 1 

F1  Fn  F12  F12  e 1   1

Pro druhý buben platí stejné vtahy, jako bylo uvedeno dříve. Pro celý dvoububnový pohon pak platí: Fn  Fo  e 1    2  2 

(6.12)

F  F1  F2  Fn  Fo  Fo  e 1    2  2   1

(6.13)

Poměr obvodových sil přenášených oběma bubny je v případě dopravníků se stejnými průměry bubnů roven poměru přenášených kroutících momentů:

F1 max F2

M k1 max M k2

 

 

1 1 F12  e 1 1  1 1  2  2 e  e   2  2  2  2 Fo  e 1 e 1

F1 M k1 e 1   1   e  2  2    F2 M k 2 e 2 2 1

(6.14)

(6.15)

Z těchto vztahů je patrné, ţe zatíţení obou bubnů je nerovnoměrné, coţ vede k jistým poţadavkům na jejich uspořádání. V podstatě je moţno vyloučit jednomotorový pohon s tuhým mechanickým převodem (obr. 6.7a) mezi hřídelemi obou poháněcích bubnů. V úvahu proto přichází pouţití vyrovnávacího převodu anebo pouţitím nezávislého pohonu obou poháněcích bubnů (obr. 6.7b), kde úlohu pruţného elementu sehrává hydraulická spojka.

98


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Obr. 6. 7. Schéma dvoububnového pohonu [1].

6.4 Výpočet pásových dopravníků Při návrhu pásových dopravníků je účelné vycházet především z výpočtu potřebné obvodové síly na poháněcím bubnu a z toho plynoucího tahového namáhání pásu, neboť tyto hodnoty podstatně ovlivňují volbu pohonu a konstrukce pásu. Výkon pohonu se stanoví z obvodové síly na poháněcím bubnu a z rychlosti pásu. Potřebná šířka pásu se určuje na základě největšího objemového dopravovaného mnoţství a případně podle kusovitosti dopravované hmoty. Je nutno věnovat pozornost řadě různých činitelů, které ovlivňují obvodovou sílu na poháněcím bubnu a ztěţují tak přesné stanovení výkonu. Výpočet výkonů a tahových sil pásových dopravníků upravuje norma ČSN ISO 5048, která nahradila normu ČSN 26 3102 z 14.7.1988. Některé dopravníky představují sloţité problémy, například dopravníky s více pohony nebo nepravidelným profilem trasy. Pro jejich výpočet, který není zahrnut ve zmíněné mezinárodní normě se doporučuje konzultace s příslušnými odborníky. Jedná se především pro dynamické jevy vzniklé při provozu dopravníku [4]. 6.4.1 Dynamika pásového dopravníku při neustáleném provozu Vyšetření dynamického chování pásového dopravníku jako celku při neustáleném provozu, tj. přechodových fázích rozběhu a brzdění je velmi sloţitou úlohou, kterou nelze exaktně vyřešit ani s pomocí výkonné výpočetní techniky. Nutno si uvědomit, ţe zásadní sloţitost řešení dynamiky pohybu vzniká v důsledku přenosu hnací síly na pruţný dopravní pás působením tření, visko-elastických vlastností dopravního pásu, chování dopravovaného materiálu, průběhu hnací

99


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

síly atd. Proto všechna řešení jsou nutně zaloţena na větším či menším zjednodušení a mohou tedy zprostředkovat spíše kvalitativní neţ kvantitativní představu o probíhajících pochodech [4]. Vlastní dopravní pás představuje pruţný člen v němţ v průběhu neustáleného provozu dochází ke změnám tahu, které vyvolávají relativní posuvy v elementu pásu, tj. podélné kmitání (obr. 6.8).

Obr. 6. 8. Element dopravního pásu [4].

Podélné kmitání pruţného pásu se spojitě rozdělenou hmotou s uvaţováním vnitřního tlumení lze v úseku mezi dvěmi válečkovými stolicemi popsat parciální diferenciální rovnicí:

  2u 

E  t 2

 

 x 2

2  u   u  0   2  t  x

kde  je hmotnost pásu včetně materiálu na jednotku délky, E - dynamický modul pruţnosti,

 součinitel vnitřního (viskózního) tlumení pásu. Účinky vnitřního tlumení se obvykle uvaţují jako úměrné přírůstku rychlosti deformace dle Kelvin-Voightova modelu vyjadřujícího viskoelastické vlastnosti dopravního pásu (obr. 6.9).

Obr. 6. 9. Visko-elastické vlastnosti dopravního pásu [4]

V místech válečkových stolic a převáděcích bubnů nutno do pásu zavést účinky pasivních odporů a setrvačných sil od rotačních hmot a v místě hnacího bubnu pak navíc hnací obvodovou sílu pohonu. Aby bylo moţno takovouto sloţitou mechanickou soustavu v reálném čase popsat,

100


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

je nutné pracovat s náhradním mechanickým modelem, kde spojitě rozdělené hmoty a účinky jsou nahrazeny diskrétními. Náhradní model dopravního pásu lze pak v horní i dolní větvi dopravníku uvaţovat dle obr. 6.10.

Obr. 6. 10. Model dopravního pásu [4].

Za předpokladu soustředění redukovaných posuvných hmot tvořených posuvnými hmotami pásu a dopravovaného materiálu a redukovaných rotačních hmot válečkových stolic do míst jednotlivých uzlů v náhradním modelu dopravního pásu lze sestavit pro kaţdý uzel pohybovou rovnici ve tvaru: mk  uk  c  uk 1  2  uk  uk 1     u k 1  2  u k  u k 1   Wk  sign u k

kde c 

EB B je součinitel dynamické tuhosti pásu [N.m-1],   - součinitel dynamického l l

tlumení [N.s.m-1], Wk – odpor protipohybu pásu [N], B – šířka pásu [m], l – délka úseku náhradního uzlu [m], mk – celková redukovaná posuvná hmota uzlu [kg].

Obr. 6. 11. Model uzlu pohonu a dopravního pásu [4].

101


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Pro uzel pohonu dle obr. 6.11 pak za předpokladu trvalého přenosu potřebné hnací síly mezi bubnem a pásem (tj. nedochází k prokluzu) lze sestavit pohybovou rovnici: mi red  ui  ch  ui  ui 1   cd  ui 1  ui    h  ui  ui 1    d  ui 1  ui   FH

pro

FH 

2  M H  H  i DB

kde FH je obvodová síla na hnacím bubnu [N], H – celková účinnost pohonu, i – celkový převod k hnacímu bubnu, MH – hnací moment elektromotoru [N.m], mred – celková posuvná redukovaná hmota v místě hnacího bubnu [kg]. Redukce rotační hmoty na posuvnou je dána vztahem:

   n   J i      i  [kg]  30   v  2

mred

2

kde Ji je moment setrvačnosti rotační hmoty [kg.m2], ni – otáčky rot. hmoty [min-1]. Řešením soustavy diferenciálních rovnic lze potom stanovit dynamické chování dopravního pásu při přechodovém stavu, tj. ve fázi rozběhu či brzdění. Je samozřejmé, ţe řešení dynamického chování dopravního pásu v přechodovém stavu při uvaţování vícebubnového pohonu, napínacího reţimu, podmínek přenosu třecí síly na hnacích bubnech (prokluzu), charakteristiky pohonu (průběhu hnacích momentů) aj. je podstatně sloţitější neţ bylo výše naznačeno. Samotné určení základních charakteristik dopravního pásu, tj. součinitele dynamické tuhosti a dynamického tlumení je velmi obtíţné. Vytvoření obecného náhradního modelu pásového dopravníku se zahrnutím všech ovlivňujících činitelů je teoreticky i časově velice náročné. Běţně se proto v praxi tyto výpočty neprovádí. Pro obvyklé případy návrhů pásových dopravníků zcela postačuje pouţívaný způsob statického řešení s uvaţováním působení konstantního zrychlení (či zpoţdění) v přechodových stavech, tj. rozběhu či brzdění. Komplexní výpočet včetně podrobného řešení dynamického chování se pouţívá pouze v ojedinělých, technicky náročných případech návrhu pásových dopravníků zvláštního určení. Toto řešení slouţí, jak jiţ bylo dříve uvedeno spíše pro získání kvalitativních představ o chování pásového dopravníku v různých extrémních reţimech provozu.

102


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Výše, stručně uvedené výpočty však neřeší komplexně výpočet parametrů pásového dopravníku pro jeho realizaci. Je nutné provést další potřebné kalkulace jako například výpočet poţadované napínací síly, včetně maximálního a minimálního zdvihu napínacího zařízení, která samozřejmě závisí na umístění napínací stanice, dále pak přechodové stavy dopravníku (rozběh, doběh) a jejich vliv na jednotlivé parametry dopravníku (síly v pásu atd.) apod. Tyto okruhy řeší publikace: [1], [9], [11].

6.5 Bubny a jejich výpočet Bubny pásových dopravníků současně s pásem jsou důleţitými prvky celého strojního celku, které ovlivňují jeho parametry (dopravní výkon, potřebný příkon, bezpečnost provozu, apod.). Jejich dimenzování není jednoduché a to nejen z důvodu jejich konstrukce, ale také z důvodů pruţnosti celého dopravního systému, především tedy dopravního pásu, který vnáší do tohoto strojního celku dynamické prvky, ovlivňující zatíţení bubnů pásových dopravníků a to jak hnacích, tak i hnaných. Výpočet bubnů je poměrně komplikovaný, neboť se jedná o strojní část, která je z hlediska pruţnosti a pevnosti staticky neurčitá a to jak pro ohybové, tak také pro kroutící momenty. Níţe uvádím základní body dvou různých výpočtů bubnů. Tím prvním je výpočet dle prof. Fuxy -

literatura [2]. Druhým pramenem pak je podniková norma [21], která byla

v závislosti na vývoji výpočetní techniky základem pro zpracování elektronické verze výpočtu. 6.5.1 Výpočet dle Fuxy [2] Tento výpočet je odvozen jak pro hnací, tak pro vratné - nepoháněné bubny pásových dopravníků. Je vhodný také jako názorný příklad filozofie výpočtu a můţe slouţit jako základ pro případné další úpravy a rozšiřování základních vztahů určených pro zjednodušené profily jednotlivých částí bubnu a dalších parametrů vstupujících do výpočtu. Napěťové stavy strojních součástí obecně ovlivňuje:  konstrukční řešení (typ a rozměry konstrukce, kvalita konstrukčního zpracování – zejména s ohledem na vrubové účinky),  zatíţení (orientace a velikost tlaků, sil a momentů a jejich změny v závislosti na čase),  jakost výroby (vady materiálu, kvalita mechanického opracování, eventuelně „zbytková pnutí“ jako důsledek technologie svařování apod.

103


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Napěťové stavy jsou posuzovány jako důsledek zatíţení idealizované součásti (bez vlivu jakosti výroby). Znalost napěťového stavu v kterémkoli místě hodnocené součásti je východiskem pro posouzení ţivotnosti. Pevnostní výpočty jsou vţdy spjaty s typem konstrukce a způsobem zatíţení. Základní konstrukce bubnů je zřejmá z obr. 6.12. Geometrické charakteristiky bubnu: a; b; B; c; d; h; R0; R1; R2; R S 

R 2  R 0  2

. Materiálové charakteristiky bubnu: E (EH; ED; EP) …

Yangův modul pruţnosti (hřídele, čela, pláště), (H; D; P;) … Poissonovo číslo,

G

E . 2  1    Buben je tvořen válcovým pláštěm, dvěma čely a průběţnou hřídelí. Čela jsou k plášti

přivařena. Lze rozlišit „jednomotorový“ a „dvoumotorový“ pohon bubnu. Jednomotorový pohon je tvořen elektromotorem, připojeným ke vstupní hřídeli převodovky pruţnou spojkou s brzdným kotoučem pro čelisťovou brzdu. Výstupní hřídel převodovky je spojena zubovou spojkou s hřídelí bubnu pro přesný přenos velkých kroutících momentů. Dvoumotorový pohon je uspořádán obdobně – po obou stranách bubnu (obr. 6.13).

Obr. 6. 12. Základní konstrukce bubnů pásových dopravníků [2].

Zatíţení bubnu vyplývá ze způsobu provozování pásového dopravníku. Schématicky lze rozlišit ustálený a přechodový stav. Ustálený stav je charakteristický tím, ţe pás s přepravovaným

materiálem

se

pohybuje

konstantní

rychlostí,

přechodový

stav

je

charakteristický tím, ţe pás s materiálem je rozbíhán nebo brzděn. Většinu pracovního času je 104


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

dopravník v ustáleném stavu. Plášť poháněcího bubnu je zatíţen tlaky mezi pásem a pláštěm bubnu, třecími silami a kroutícím momentem. Tyto účinky jsou obecně známy ze vztahů pro pásové tření (Eulerovo řešení). V přechodovém stavu je buben navíc zatíţen dynamickým momentem, který plyne z rozbíhání (brzdění) hmot v pohybu translačním a rotačním. Buben rotuje určitou úhlovou rychlostí – z hlediska „pruţnosti a pevnosti“ se tedy jedná o „rotující kotouč“. Při kinematických poměrech, za nichţ jsou pásové dopravníky provozovány, je však vliv rotace na napěťový stav zanedbatelný.

Obr. 6. 13. Schéma dvoumotorového pohonu pásového dopravníku [2].

Obecný bod bubnu mění za rotace vůči zatěţujícím účinkům svou polohu. Orientace zatíţení je tedy vzhledem k libovolně zvolenému bodu bubnu v čase proměnná, coţ vede k únavovému namáhání materiálu bubnu. Zátěţné účinky hnacího (hnaného) bubnu Je uvaţován pás dle obr. 6.13, nesoucí v horní větvi přepravovaný materiál, vysypávaný z poháněcího bubnu. Vratná větev je předepnuta závaţím Z, jehoţ tíha je přenášena osou napínacího bubnu. Obdobně je zatíţen vratný buben. Dále jsou řešeny zátěţné účinky poháněcího bubnu v ustáleném stavu (rychlost v pásu je konstantní). Silové účinky bubnu na pás (pásu na buben) a pohonu na buben (bubnu na pohon) vyhovují principu akce a reakce, jak je naznačeno na obr. 6.14.

105


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Obr. 6. 14. Silové účinky [2].

Síla T1 ( BP ) , udrţující pás s přepravovaným materiálem v pohybu, závisí na síle T2 ( BP ) ve vratné větvi pásu, úhlu opásání , součiniteli smykového tření f0 (mezi materiály styčných povrchů bubnu a pláště) podle Eulerova vztahu: T1  T2  e  f0  

(6.16)

Soustava z obr. 6.14 je v rovnováze, kdyţ kroutící moment MK (vytvářený působením pohonu na buben) má velikost : M K  T1  T2  

d d  T2   e  f 0    1 2 2

(6.17)

kde d je průměr pláště poháněcího bubnu. Poháněcí buben je tedy v ustáleném stavu zatíţen kroutícím momentem MK, který celý působí na jedné straně jednomotorového pohonu bubnu (případně působí poloviční hodnotou na kaţdé straně hřídele při dvoumotorovém pohonu) a silami T1 a T2. Toto schéma zatíţení je však pro pevnostní výpočet poměrně zjednodušené, jak je patrné z následujícího odstavce. Určení měrných tlaků v soustavě plášť bubnu – pás Buben průměru d a délky l je v úhlu  obepnut pásem šířky B a tloušťky tP, která je vůči průměru bubnu zanedbatelná ( t P  d ). V radiálním směru působí specifický tlak p(1) vytvářející na povrchové plošce dS pláště normálovou sílu dN(1), která při součiniteli tření f0 vyvozuje třecí sílu dT1   f 0  dN1  . Předpokládá se, ţe tlak p(1) je závislý na poloze 1 a ţe je podél šířky pásu konstantní. Za těchto okolností platí:

106


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

dN 1   p1   dS  p1  

d  B  d1 2

dT 1   f 0  dN 1   f 0  p1  

p1  

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

(6.18)

d  B  d1 a rozloţení tlaku: 2

(6.19)

2  T2  f 0 1  2  T2  f 0    e  e dB dB

(6.20)

Obr. 6. 15. Zatíţení pláště poháněcího bubnu [2].

Povrch pláště bubnu je však zatíţen nejen radiální silou dN(1), ale také třecí silou dT(1). Tuto sílu lze přeloţit do bodu D (obr. 6.15). Elementární síla dT v bodě D prochází osou cylindrického pláště bubnu a způsobuje namáhání ohybem, podobně jako normálová síla dN, působící v bodě A. Moment dM K  dT 

d , o který je nutno soustavu doplnit, způsobuje 2

namáhání pláště kroucením. Sloţku t(1), lze určit ze vztahu dT  f 0  dN :

dT  t 1   dS  f 0  dN  f 0  p1   dS  t 1   f 0  p1   t(2) lze pak povaţovat za radiální tlak v místě  2 1 

2  T2  f 0  e  f 0     t  2  dB

(6.21)

 (bod D obr. 6.15). 2

Zatíţení pláště poháněcího bubnu Zatíţení pláště poháněcího bubnu plyne z rozboru, uvedeném v předchozím odstavci a je znázorněno na obr. 6.15. Plášť poháněcího bubnu je podél opásání zatíţen radiálními tlaky p(1) (mezi body C, B), t(2) (mezi body E, F) a kroutícím momentem MK. Tlak p(1) na plošce 107


Kapitola VI. Kapitola I.

dS 

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

d  B  d1 (okolí bodu A) vyvolá sílu dN  p1   dS , jejíţ velikost však lze také určit jako 2

součin „elementárního spojitého zatíţení“ dqN(1) (od tlaku p(1)) a šířky B pásu: dq N   

T2  f 0     dN  e  d    B  B 

(6.22)

Analogicky třecí síla dT, po přeloţení z bodu A do bodu D vytváří součin „elementárního spojitého zatíţení“ dqT(2):

dqT    f 0 

T2  f 0    e  d  f 0  dq N   B

(6.23)

Přeloţením dT z bodu A do D bylo nutno soustavu doplnit o moment dMK. Tento moment vztaţený na jednotku šířky je označen symbolem dmK a nabývá hodnot:

dmK 

dM K d d dS f 0  T2  d  f 0     t 1   dS   f 0  p1     e B 2 B 2 B 2 B

(6.24)

Zatíţení elementu povrchové plochy pláště poháněcího bubnu pak lze schematizovat podle obr. 6.16. Zatíţení pláště napínacího nebo vratného bubnu Při zanedbání pasivních odporů otáčení napínacího (resp. vratného) bubnu vyplynou zátěţné účinky bubnu v ustáleném reţimu činnosti pásového dopravníku z redukce působících sil. Lze zanedbat tření mezi povrchem pláště a pásem dT1   0 a rovnice rovnováhy v tečném směru má tvar:

T 0  d1  dN 1   * p1  

d 2 T 0  d1  B  * p1   * p  f 1  2 d B

(6.25)

(Znak * před symbolem veličiny odkazuje na nepoháněný buben). Ze vztahu (6.25) je patrné, ţe radiální tlak mezi pásem a pláštěm nepoháněného bubnu nezávisí na poloze 1. Je určen tahem v pásu T0 (shodný v nabíhající i sbíhající větvi) a rozměry d a B. Elementární zátěţné účinky napínacího (vratného) bubnu jsou znázorněny na obr. 6.16B. Tedy: d * qN 

T2  d1 … při d * qT  d * mK  0 B

(6.26)

108


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Obr. 6. 16. Schéma zatíţení pláště poháněcího bubnu [2].

Neustálený stav pásového dopravníku Většinu pracovního času se pásový dopravník nachází v ustáleném reţimu. Zátěţné účinky byly popsány v předchozích odstavcích a způsobují únavové namáhání bubnů (poháněcích, vratných i napínacích). Při rozběhu nebo brzdění se však zátěţné účinky mění, a to vlivem urychlování (zpoţďování) pohybujících se hmot. Jde především o posuvný pohyb, závislý na hmotnosti přepravovaného materiálu (m0) a vlastního pásu (mP) a otáčivý pohyb, závislý na momentu setrvačnosti. rotoru elektromotoru (JM), spojky (JS1) mezi el. motorem a převodovkou, převodovky (JP), spojky (JS2) mezi převodovkou a poháněcím bubnem, poháněcího bubnu (JB), vratného bubnu (JV), napínacího bubnu (JN), opěrných válečků (JVA) apod. (obr. 6.17). Je-li kontaktní tření mezi pásem a pláštěm poháněcího bubnu dostatečné (nedochází-li k prokluzu), lze kinematické poměry (a odtud i dynamické zátěţné účinky) při rozběhu pásu stanovit z pohybové rovnice (obr. 6.17C):

109


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

MM  MD  MZ  0

(6.27)

psané pro hřídel poháněcího bubnu. Ve vztahu (6.27) značí MM – moment vytvořený elektromotorem, (přepočtený na hřídel poháněcího bubnu):

M M  0M D  i

(6.28)

kde i je převod mezi otáčkami elektromotoru a bubnu (charakteristika asynchronního stroje 0

 

M D  f 0  je připomenuta na obr. 6.17D.

Obr. 6. 17. Neustálený stav pásového dopravníku [2].

Dynamický moment: MD  JR 

d dt

(6.29)

kde JR je moment setrvačnosti (translačních i rotačních hmot) soustavy, redukovaný na hřídel poháněcího bubnu:

J R  J B  J P  J S 2  J S1  i 2  J M  i 2  m0 

d2 d2  mP   4 4

(6.30)

a MZ označuje zátěţný moment, závislý na pohybovém odporu FU:

110


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

M Z  FU 

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

d 2

Rovnice (6.27) lze přepsat na tvar: 0

 

M M 0  i  J R 

d d  FU    dt 2

(6.31)

z něhoţ lze pro dané konstrukční uspořádání určit zatěţující účinky na rozbíhaném bubnu. Podrobný výpočet je dosti komplikovaný, zejména pro nelineární charakteristiku el. motoru (obr. 6.17D), závislou nejen na typu stroje, ale i na způsobu regulace rozběhu) a pro nelineární závislost celkového pohybového odporu FU na úhlové rychlosti  otáčení bubnu. Detailní výpočet rozběhu pásu však pro pevnostní kontrolu poháněcích bubnů není bezpodmínečně nutný. Postačí určit mezní hodnotu, kterou můţe kroutící moment na hřídeli bubnu dosáhnout. Takovéto zjednodušení je moţné učinit proto, ţe dopravník se v přechodovém stavu nachází jen malou část pracovní doby. Stačí znát jen mezní hodnoty kroutících momentů MKR (MKS) při rozběhu (brzdění). Mezní hodnota kroutícího momentu MKR vyplývá z rovnice (6.27) a z aplikace metody řezu v místě A-A (obr. 6.17 B). MKR je omezen charakteristikou elektromotoru (obr. 6.17D). Nejvyšší hodnota je

0

M 0 (moment zvratu). Transformováno na hřídel bubnu:

0

M 0  i . Tento

moment by zatěţoval rozbíhaný buben v případě, ţe: J M  J S1  J P  J S2  0 . Uvedené d   momenty setrvačnosti však nulové nejsou a sniţují o hodnotu: J M  i 2  J S1  i 2  J P  J S2  dt  

moment 0 M 0  i . MKR tedy je: M KR  0M 0  i … rozběh

(6.32)

Obdobně lze určit mezní hodnotu momentu MKS při brzdění. Situace je schematicky znázorněna na obr. 6.17E. Buben otáčející se úhlovou rychlostí , je zastavován působením brzdného momentu MB a momentu zátěţe MZ. Proti směru úhlového zpoţdění ddt působí dynamický moment MD a pohybová rovnice pro brzdění má tvar:

MB  MZ  MD  0

(6.33)

111


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Tato rovnice je sestavena za předpokladu, ţe elektromotor se aktivně brţdění neúčastní

(M M  0) . V případě, ţe elektromotor je při brţdění zapojen v běţném směru otáčení, působí jeho kroutící moment ve směru šipky 1 (obr. 6.17E) a v rovnici (6.33) by byl MM uváţen se znaménkem mínus. V případě, ţe elektromotor je při brzdění zapojen k reverzaci pásu, působí jeho kroutící moment ve směru šipky 2 (obr. 6.17E) a v rovnici (6.33) by byl MM uváţen se znaménkem plus. Mezní hodnota MKS, která se můţe na hřídeli poháněcího bubnu při brzdění vyskytnout, je určena vztahem: M KS  0M B  i … M KS 

M 0

B

 0M 0  i …

brzdí-li jen brzda, nebo

(6.34)

brzdí-li současně s brzdou i elektromotor.

(6.35)

Z uvedené analýzy zatíţení bubnů (jako vstupního údaje pevnostního výpočtu) vyplývají tyto poznatky: Radiální tlak p(1) (rovnice 6.20) je nelineárně rozloţen podél úhlu opásání poháněcího bubnu. Hodnota p(1) závisí na síle T2 ve sbíhající větvi pásu, součiniteli kontaktního tření f0, průměru d a šířce B pásu. Radiální tlak t(2) (rovnice 6.21) plynoucí z přeloţení třecí síly, je u poháněcích bubnů rozloţen podél úhlu 2 (=1-/2). Jeho velikost závisí na týchţ veličinách jako p(1). Síla T2 (ve sbíhající větvi pásu) souvisí s hodnotou výsledného pohybového odporu FU. Nejniţší hodnota je pro dané konstrukční řešení dosaţena při plném vyuţití tření mezi pásem a bubnem. Kroutící moment MK (rovnice 6.17), přenášený poháněcím bubnem je určen silami v pásu (T2 – ve sbíhající, T1 – nabíhající větvi) a průměrem pláště bubnu d. (Moment el. motoru na hřídeli bubnu je vyrovnáván momentem třecích sil ve styku pásu s pláštěm bubnu. Součinitel tření f0 mezi pásem a povrchem pláště bubnu můţe dosahovat hodnot prakticky od nuly (nepoháněný buben) aţ po maximální hodnotu, při níţ uţ dochází k prokluzu pásu po bubnu. Skutečná hodnota tření vyplyne z nastavené (potřebné) napínací síly v pásu. Nepoháněné bubny jsou zatíţeny jen radiálním tlakem *p (rovnice 6.25). Při rozběhu a brzdění se zátěţné účinky zvyšují. Kroutící moment můţe při rozběhu nabýt nejvyšší hodnoty podle rovnice (6.32) a při brzdění je limitován vztahem (6.34) (pro brzděni jen brzdou) anebo rovnicí (6.35) (při brzdění brzdou i elektromotorem).

112


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Zvyšováním kroutícího momentu se mění i hodnoty sil v pásu (i radiální tlaky p a t). Zatíţení bubnů (poháněcích i nepoháněných) je periodické a vyvolává únavu materiálu. Převládá zatíţení v ustáleném stavu. Přechodové stavy (rozběh a brzděni) obecně zvyšují zátěţné účinky. 6.5.2 Výpočet dle normy NTR 1020b Z předchozí kapitoly je patrná filozofie výpočtu bubnů pásového dopravníku, ale z praktického hlediska můţe slouţit především jako orientační, neboť se takovéto bubny prakticky liší od dnes pouţívaných, a to jak od hnacích tak i hnaných - nepoháněných. Podniková norma NTR 1020b [21] řeší analytický výpočet hnacích bubnů, avšak prakticky pouze pro jeden typ bubnu (s předem daným designem) coţ také omezuje jeho pouţití. Z důvodu úplnosti je však vhodné se o tomto výpočtu zmínit a uvést základní data. Na bubnu zatíţeném maximálními silami vyplývajícími z rozběhu se kontroluje statická pevnost hřídele a přesahy tlakového spojení náboje s hřídelem. Z nominálních hodnot zatíţení se kontroluje u hřídele bezpečnost k mezi únavy, napětí v čele a plášti a úhly sklonu ohybové čáry v místě uloţení náboje (čela), které se porovnávají s dovolenými hodnotami. Jednotlivé výpočtové vztahy a parametry jsou uvedeny v kapitole č. 6.4 – Případová studie – příklad výpočtu. 6.5.3 Reálné hodnoty zatížení Je zřejmé, ţe jakékoli analytické výpočty, jenţ jsou vhodné pouze pro výpočet konkrétního typu bubnu - jeho konstrukce, pro který byly odvozeny, nemohou dostatečně popsat reálné provozní parametry. Navíc mnohdy výpočty pouţívají několik zjednodušujících podmínek, které sice výpočet zjednodušují, ale částečně je dělají nepřesnými. Přičemţ se v praxi vyskytuje relativně mnoho různých konstrukcí bubnů. Z tohoto pohledu je vhodné pouţít výpočetní techniku a některý z profesionálních softvérů pouţívajících Metodu konečných prvků (FEM - Finite elements method). Avšak ani takto provedené výpočty nemohou být přesné pokud nebudeme mít přesné vstupní hodnoty. Pro výpočet se v drtivé většině pouţívají parametry ustáleného chodu dopravníku s tím, ţe se vyšetří maximální moţné zatíţení při přechodových stavech, které musí buben krátkodobě snést, bez trvalých deformací jednotlivých jeho částí. Z pohledu ţivotnosti bubnů a také redukce jejich hmotnosti je vhodné vyuţít teorie akumulace deformací - poškození. Prakticky ţádny poháněný stroj a strojní celek není ani v ustáleném stavu bez kolísání zátěţných účinků. To platí také pro pásové dopravníky, kde se pás chová jako pruţný element schopný za určitých podmínek celý dopravník dostat do 113


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

rezonančních kmitů a tím jej poškodit [5]. Reálná data zatíţení v jednotlivých fázích provozu pásového dopravníku získáme například měřením kroutícího momentu na hřídeli hnacího bubnu pomocí tenzometrů. Měření včetně pouţitých materiálů nejsou z finančního ani časového hlediska náročná a poskytují relativně přesná vstupní data pro výpočet na počítači. Na obr. 6.18 je schematicky znázorněn obecný průběh zatíţení systému během několika hlavních fází jeho provozu. V daném případě je zatíţení vyjádřeno kroutícím momentem T na hřídeli např. ozubeného kola. Během rozběhu soustrojí (fáze R) dochází působením vysokého záběrového momentu hnacího motoru na jednotlivé části soustavy k prudkému nárůstu zatíţení. Soustava se nejprve předepne a potom se rozkmitá tlumenými kmity, přičemţ současně vzrůstají otáčky. Po dosaţení provozních otáček nastává obvykle fáze ustáleného provozu (fáze U). Během ní mohou potřebný příkon hnaného stroje i jeho otáčky být konstantní (např. u pohonu kompresoru) a konstantní je tedy i statická sloţka kroutícího momentu Ts (viz fáze U1 a U2). Přenášený výkon a otáčky stroje však mohou v závislosti na potřebách pracovního orgánu během ustáleného provozu kolísat (jako například u pohonu rypného orgánu dobývacího stroje a obecně u většiny strojů včetně pásových dopravníků - to je u pásových dopravníků dáno především „účinností“ zaplňování korýtka pásu, respektive okamţitým objemovým výkonem dopravníku a samozřejmě také pruţným elementem, který představuje samotný dopravníkový pás), coţ se projevuje kolísáním Ts (viz fázi U3). Fáze D znázorňuje doběh soustrojí, během kterého po vypnutí hnacího motoru kroutící moment klesá k nulové hodnotě. Z obr. 6.18 je také vidět, ţe na statickou sloţku kroutícího momentu Ts je superponována proměnná (dynamická) sloţka. Její charakter (rozkmit, frekvenční spektrum) je určen dynamickými vlastnostmi celého soustrojí a můţe se tedy během provozu v závislosti na zatíţení Ts a otáčkách n měnit (viz fáze U1 a U2).

Obr. 6. 18. Jednotlivé fáze provozu stroje

114


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Naproti tomu průběh a velikost statické sloţky kroutícího momentu Ts závisí na výkonových charakteristikách hnacího a hnaného stroje dané soustavy. Převládá-li u pohonu, například kulového mlýnu nebo turbokompresoru, během celé ţivotnosti soustrojí svou délkou fáze U, během níţ je kroutící moment v podstatě konstantní (Ts se mění pouze zanedbatelně a dynamická sloţka bývá malá), pak během fáze U například u pohonu kolesa skrývkového rýpadla nebo pohyblivých schodů má Ts průběh náhodný, jeho hodnota se mění od nejmenší při chodu pracovního orgánu bez zatíţení aţ do největší při plném výkonu a rovněţ dynamická sloţka zatíţení značně kolísá. U pohonů jiných soustrojí, například u pohonu dávkovacího automatu, převládají během jeho ţivotnosti četností svého výskytu fáze R a D (vyznačují se výraznými dynamickými jevy), zatímco fáze U je krátká a zatíţení je během ní v podstatě klidné. Je tedy zřejmé, ţe ţádný strojní celek s pohonnou jednotkou není během své celé ţivotnosti vystaven působením konstantního zatíţení, ale ţe podle charakteru soustrojí, jehoţ je součástí, a v závislosti na skutečných provozních podmínkách na něj mohou působit více či méně proměnná zatíţení, přičemţ se mohou měnit (a obvykle se také mění) i další faktory, mající vliv na jeho únosnost nebo ţivotnost (např. otáčky, teplota, vlastnosti maziva apod.). Soubor zatíţení, který nahrazuje průběh skutečně působícího nebo očekávaného zatíţení během celé ţivotnosti N strojního celku se nazývá charakteristický soubor zatíţení (CHSZ). Obvykle lze očekávaný CHSZ stanovit dostatečně přesně ze změřeného průběhu kroutícího momentu, odvozeného z deformací hřídele určených (nejlépe tenzometricky) co nejblíţe počítaného respektive sledovaného místa. Takto určený průběh obsahuje jak statickou sloţku T s, tak často i dynamické síly. Zmíněné měření musí postihovat všechny provozní fáze, které se mohou v průběhu ţivotnosti strojního celku vyskytnout avšak současně je nutno zjistit v jakém poměru lze během poţadované ţivotnosti výskyt jednotlivých fází provozu očekávat. Průběh kroutícího momentu se nahradí stupňovitou funkcí (viz obr. 6.19). Nejprve se najde největší hodnota kroutícího momentu během celého uvaţovaného úseku Tmax a rozdělí se (nejlépe rovnoměrně) myšlenými hladinami i  1, h  ; obvykle postačí 11 aţ 20 hladin. Hladině i = 1 odpovídá Ti = T1 = 0 a hladině h odpovídá Ti = Th = Tmax. Hodnoty kroutícího momentu jednotlivých úseků se pak třídí a zařazují do stupňů zatíţení j, kde j  1, k  . Skutečný průběh zatíţení mezi sousedními hladinami i a (i + 1) je tedy nahrazován stupni zatíţení j, danými zatíţením Tj konstantní velikosti a četností jeho výskytu Nj. Při zpracování těchto hodnot se stupně zatíţení j číslují v opačném pořadí neţ hladiny i.

115


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Obr. 6. 19. Sestrojení stochastického průběhu kroutícího momentu - zatíţení stroje.

Hodnota Tj = Tmax je výjimečná, neboť se během celého uvaţovaného časového úseku (tj. během očekávané nebo poţadované ţivotnosti) vyskytne teoreticky pouze jednou. Je proto zařazována vţdy do stupně zatíţení j = 1 (takţe Tmax = T1). Ostatním částem stupňovité funkce je přisuzována vţdy hodnota kroutícího momentu odpovídající středu mezi dvěma hladinami i a (i + 1), mezi kterými se nahrazovaná část nachází, tedy Tj 

Ti  Ti 1 , a platí h = k = i + j –1. 2

Je-li právě T = Ti, zařadí se tato část stupňovité funkce do intervalu  Ti , Ti 1  . Stupně zatíţení j tvoří soubor zatíţení. Seřadí se podle klesající velikosti, přičemţ (T1 = Tmax). Ekvivalentní zatíţení (síla, moment) je takové zatíţení konstantní velikosti, jehoţ působením po NK zatěţovacích cyklů (během ţivotnosti) vznikne na strojním celku (části) stejné poškození, jako působením souboru různě velikého zatíţení (síly, momentu) za stejný počet zatěţovacích cyklů. Ekvivalentní kroutící moment Te pak můţeme vyjádřit vztahem:

Te  Tmax

 Tj    j 1  Tmax k

q

q

 Nj    NK

(6.36)

kde q je exponent polytropické závislosti a volí se dle materiálu: q = 6 u ocelí ve stavu ţíhaném nebo zušlechtěném (HB  350) a q = 9 u ocelí kalených (HB  350).

116


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

6.5.4 Problematika konstrukce bubnů Bubny pásových dopravníků, jak jiţ bylo dříve uvedeno, patří mezi stěţejní prvky celého tohoto strojního zařízení. Rozlišujeme dva typy bubnů, kterými jsou hnací a hnané bubny. Je zřejmé, ţe nejvíce namáhané jsou hnací, které kromě přenosu sil v rovině čel bubnu (sil v páse), zajišťují přenos kroutícího momentu na pás, respektive taţný element a také zatíţení od zavěšených poháněcích jednotek. Běţně však dochází k destrukci relativně méně namáhaného hnaného bubnu a to především díky jeho nevhodné konstrukci. Analýza problému Na základě analýzy dané problematiky je patrné, ţe jednou z hlavních příčin deformací a následných destrukcí bubnů pásových dopravníků je tuhá vazba mezi čelem a hřídelí bubnu. Díky této vazbě pak dochází ke značnému střídavému namáhání a to především v oblasti svarů spojení čela s hřídelí, respektive s nábojem upevněným na hřídeli a také čela s pláštěm. Toto jsou právě místa iniciace trhlin, které vedou ke zmíněné destrukci bubnů. Řešení dané problematiky U jiţ vyrobených bubnů je moţno toto řešit například přivařenými ţebry mezi nábojem, pláštěm a čelem. Toto řešení bývá nejjednodušší a rychlé a díky dostatečně velké stykové ploše mezi rozpěrnými krouţky a hřídelí nedochází k nadměrným otlačením a deformacím zmíněných spojených částí bubnu. Všeobecně především u hnaných bubnů je velice snadné předejít neţádoucímu faktu tuhé vazby mezi čelem a hřídelí tím, ţe loţisko, které je umístěno na koncích hřídele bubnu a společně s loţiskovým domkem je součástí rámu vratné stanice, vloţíme mezi čelo bubnu a jeho hřídel. Tím porušíme tuhou vazbu a nebude docházet k ohybu čela způsobeným průhybem hřídele a tím nebude docházet k nadměrnému přetěţování svarů. Toto řešení můţe být problematické u bubnů menších průměrů. Dnes se k připevnění náboje popřípadě přímo loţiska k hřídeli pouţívají upínací – rozpěrné krouţky. Loţisko s pouţitím takovýchto krouţků můţe mít vnější průměr větší neţ je potřebné. Tento problém můţeme vhodně řešit jinými upínacími systémy, které jsou dnes v průmyslu pouţívány. Ke komplexnímu vyřešení zmíněného problému je nutné najít vhodnou konstrukci bubnu, kterou odbouráme zmíněnou tuhou vazbu mezi čelem a hřídelí bubnu a zároveň zabezpečíme přenos kroutícího momentu z poháněcí jednotky na taţný element - pás. Mým řešením je vloţení

117


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

naklápěcího soudečkového nebo sférického loţiska mezi čelo bubnu a hřídel spolu se zubovou naklápěcí spojkou (obr. 6.20). Loţisko přitom bude přenášet radiální síly, tedy síly v pásu a zatíţení od zavěšených pohonů a zubová spojka pak samotný kroutící moment. Díky schopnosti spojky natáčet své spolu zabírající prvky aţ do úhlu 2,5° bez vlivu na přenos kroutícího momentu, se tímto uvolní čelo bubnu, které jiţ nebude namáháno dodatečným ohybem od průhybu hřídele. Navíc samotná hřídel muţe být ve střední části (mezi čely bubnu) poněkud menšího průměru, neboť dnes je nutno zajistit aby maximální natočení hřídele pod nalisovaným nábojem čela nepřekročilo úhel 3‘. Jsem si vědom také zvýšených nákladů na výrobu takovéhoto bubnu, avšak pro velmi namáhané hnací bubny je tato konstrukce ekonomicky přijatelná, přičemţ je buben lehčí a má také větší ţivotnost. Úspora hmotnosti u bubnu č. 11 (viz tab. 6.2 literatura [25]) činí 3 500 kg, a to jen na středové části hřídele (mezi čely) bubnu. Pokud u navrhovaného hnacího bubnu nebude řešena zmíněná tuhá vazba, je nutno dodrţovat některé zásady za účelem minimalizace vlivu tuhého spojení čela s hřídelí. Nejdůleţitější poţadavek (s největším vlivem) je umístění loţiska co nejblíţe k samotnému čelu bubnu. Tím se zmenší vzdálenost působiště síly respektive její reakce od taţných sil v páse a tím se také zmenší ohybový moment, který má za následek zmíněné namáhání čela (spojů s hřídelí).

Obr. 6. 20.

Moţné řešení tuhé vazby mezi nábojem a hřídelí

118


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Návrh parametrů bubnu Z výše uvedeného je zřejmé, ţe pro návrh bubnu je nutno mít co nejpřesnější hodnoty vstupující do výpočtu. Výpočet je moţno provést analyticky, avšak díky určitým nepřesnostem vznikajícím zjednodušením výpočtu je vhodné brát jeho výsledky především jako orientační. K výpočtu je vhodné pouţít výpočetní techniku s patřičným softwarovým vybavením, jako jsou programy podporující MKP výpočty. To vše má jednu podstatnou nevýhodu, kterou je finanční náročnost na takovéto vybavení včetně získání reálných vstupních parametrů, coţ pro menší firmy můţe znamenat nereálné řešení. Z těchto důvodů doporučuji volbu parametrů jenţ jsou níţe popsány a mohou je pouţít bez dalších pevnostních výpočtů také firmy (bez rozdílu velikosti) bez poţadovaného softwarového vybavení. Parametry je moţné aplikovat jak na hnací, tak také na hnané bubny. Navrhovaný buben je tvořen hřídelí, čelem a pláštěm. Čelo je k hřídeli připevněno rozpěrnými krouţky. Toto řešení se za několik let jeho pouţívání osvědčilo. Oproti tlakovému spoji má výhodu v jednoduchosti jeho montáţe a také hlavně případné demontáţe. Není nutno mít montáţní prostory vybaveny zařízením na ohřev, chlazení popřípadě lisování spojovaných částí. Spoj vytvořený rozpěrnými krouţky má srovnatelné parametry jako spoj lisovaný. Oproti tvarovým spojům má však obrovskou výhodu, kterou je úspora materiálu. To znamená, ţe jsou tyto přípravky vhodné pro spojení např. části spojky s hřídelí apod. Nevýhodou tohoto spojení, stejně jako u spojení tlakového je dodrţení maximálního natočení hřídele pod tímto spojením. U tlakových spojení je to přibliţně tl = 3´. U spojů s rozpěrnými krouţky tento úhel závisí na pouţitém typu přípravku a v ţádném případě nedosahuje hodnoty 6´ ( < 6´). Průhyb hřídele mezi čely by neměl přesáhnout dovolenou mez, která je dána poměrem

L (obr. 6.21). 2000 až 3000

119


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Obr. 6. 21. Parametry deformace hřídele bubnu.

U navrhovaného konkrétního designu bubnu jsou pouţity rozpěrné krouţky od firmy BIKON-Technik GmbH pod označením BIKON 2006 [25], které dovolují natočení hřídele vůči náboji respektive čelu bubnu o úhel  < 3´. Při nedodrţení této podmínky, se napětí na jedné stykové ploše mezi krouţky a nábojem respektive hřídelí neúměrně zvyšuje a na druhé straně naopak sniţuje pod minimální dovolené napětí, které je pro kontakt mezi krouţky a hřídelí dán hodnotou pWo = 80 - 90 MPa a pro náboj pNo = 65 - 70 MPa. V případě, kdy radiální napětí v příslušných stykových plochách poklesnou pod stanovenou hodnotu, je přípravek povaţován za nefunkční. Na obr. 6.22 je znázorněn vliv natočení hřídele vůči náboji a případný vliv kuţelovitosti rozpěrných krouţků. Je zde vidět pokles radiálních napětí pod výše uvedené hodnoty.

Obr. 6. 22. Parametry deformace hřídele bubnu [25].

120


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Tato podmínka má velkou nevýhodu v tom, ţe pro její dodrţení je nutno patřičně dimenzovat hřídel mezi čely a tím se stává celý buben hmotnějším, neţ v případě, kdy by se mohla hřídel volně prohnout, tak aby nebyly překročeny pevnostní parametry samotné hřídele. Zmíněný problém můţeme řešit například právě navrhovaným způsobem uloţení (obr. 6.20), kdy radiální síly přenáší naklápěcí loţisko respektive kloub a kroutící moment pak univerzální zubová spojka, která umoţňuje dostatečně velké natočení hřídele vzhledem k náboji. Pro samotné dimenzování bubnu je nutno znát základní vstupní data, kterými jsou průměr bubnu DT; nabíhající a odbíhající síla respektive jejich součet T1 + T2 a také provedení - tvar a materiál čel bubnu jenţ jsou rozhodujícími parametry pro maximální dovolené napětí v čele, které samozřejmě nesmí být překročeno. V níţe uvedené tabulce (tab. 6.3 literatura [25]) pomocí zmíněných veličin najdeme adekvátní parametry a především označení bubnu. Nejdříve je nutno si ujasnit tvar a materiál čel. Pokud budeme uvaţovat čelo ve tvaru T a materiál čela C 60 dle normy EN 10083/2-91 (ekvivalent 12 061 dle normy ČSN 41 2061) anebo odlitek materiálu GS-20Mn5 dle normy DIN 17182 (ekvivalent 42 2709 dle normy ČSN 42 2709) přičemţ jsou svary patřičně provedeny dle DIN 15018, můţeme hledat v tab. 6.4, tedy pro maximální dovolené napětí 120 MPa v čelech. Pokud budeme uvaţovat čelo ve tvaru T a materiál čela St52-3 dle normy DIN 1652/1 popřípadě DIN 17120 (ekvivalent 11 483 dle normy ČSN 41 1483 popřípadě 11 523 dle normy ČSN 41 1523), anebo odlitek materiálu GS-45 dle normy DIN 1681 (ekvivalent 42 2640 dle normy ČSN 42 2640) anebo vysoce kvalitní odlitek čela ve tvaru I materiálu GS-20Mn5 dle normy DIN 17182 (ekvivalent 42 2709 dle normy ČSN 42 2709) přičemţ jsou svary patřičně provedeny dle DIN 15018, můţeme hledat v literatuře [25], tedy pro maximální dovolené napětí 80 MPa v čelech. Pokud budeme uvaţovat čelo ve tvaru I a materiál čela St52-3 dle normy DIN 1652/1 popřípadě DIN 17120 (ekvivalent 11 483 dle normy ČSN 41 1483 popřípadě 11 523 dle normy ČSN 41 1523), anebo odlitek materiálu GS-45 dle normy DIN 1681 (ekvivalent 42 2640 dle normy ČSN 42 2640) přičemţ jsou svary patřičně provedeny dle DIN 15018, musíme hledat v literatuře [25], tedy pro maximální dovolené napětí 40 MPa v čelech. Po vyhledání příslušné kategorie bubnu dle zmíněného postupu a dle jeho dalších parametrů jako je průměr bubnu a průměr hřídele stanovíme z tab. 1.5 další parametry bubnu včetně čela (obr. 6.23).

121


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Obr. 6. 23. Parametry čela dle jeho tvaru [25].

Obecně při navrhování bubnů je také moţno postupovat dle obecně platných pravidel:  šířka pásu je rovna vzdálenosti čel bubnu B = Li,  vzdálenost mezi loţisky L = B + 500 mm,  průměr hřídele di = d + 10 mm,  všechny bubny jsou uvaţovány jako hnací s maximálním rozběhovým kroutícím momentem TA = 2,5 . TNOM,  v kaţdé fázi činnosti musí rozpěrné krouţky přenést celý - maximální kroutící moment. Tento návrh bubnu je však vhodné či nutné přepočítat pro sníţení hmotnosti bubnu a také pro získání konkrétních alespoň orientačních napěťových stavů v jednotlivých jeho částech.

122


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Tab. 6. 2. Maximální přípustný tah v pásu (T1 + T2) v kN pro max. přípustné napětí 120 MPa v čelech [25].

Parametry čela bubnu Poř. č.

DT [mm]

1

630

2

630

3

800

4

800

5

1000

6

1000

7

1000

8

1250

9

1250

10

1400

11

1500

d [mm] 100 110 120 130 140 150 160 130 140 150 160 180 200 220 180 200 220 240 260 280 300 280 300 320 340 360 380 400 420 400 420 440 460 540 560 580 600

Šířka pásu (nominální šířka bubnu) 800 [mm] 61 85 112 130 140 215 260 135 175 220 270 380 510 700 -

1000 [mm] 61 85 112 130 140 215 260 135 175 220 270 380 510 700 380 510 700 895 1160 1440 1700 -

1200 [mm] 61 85 112 130 140 215 260 135 175 220 270 380 510 700 380 510 700 895 1145 1430 1670 1450 1800 2100 2400 2550 2700 2850 3000 -

1400 [mm] 61 85 112 130 140 215 260 135 175 220 270 380 510 700 380 510 700 895 1135 1420 1640 1450 1780 2010 2330 2460 2590 2735 2880 3885 4210 4650 5100 -

1600 [mm] 61 85 112 130 140 215 260 135 175 220 270 380 510 700 380 510 700 895 1125 1405 1600 1450 1760 1930 2270 2390 2510 2640 2770 3700 4050 4400 4850 5750 6150 6650 7000

2000 [mm] 61 85 112 130 140 215 260 135 175 220 270 380 510 700 380 510 700 895 1100 1380 1550 1450 1740 1860 2220 2330 2445 2560 2680 3410 3770 4020 4420 5335 5630 6130 6410

2200 [mm] 61 85 112 130 140 215 260 135 175 220 270 380 510 700 380 510 700 895 1090 1365 1525 1450 1715 1800 2180 2280 2380 2490 2600 3300 3650 3900 4250 5150 5400 5880 6150

2600 [mm] 61 85 112 130 140 215 260 135 175 220 270 380 510 700 380 510 700 895 1075 1340 1480 1450 1660 1700 2150 2230 2310 2395 2480 3140 3450 3780 4000 4825 5020 5420 5700

3000 [mm] 61 85 112 130 140 215 260 135 175 220 270 380 510 700 380 510 700 895 1060 1310 1440 1405 1600 1650 2150 2220 2280 2350 2420 3060 3300 3550 3850 4560 4740 5000 5340

Tabulkou 6.3, společně s dalšími volenými parametry, jsou dány jednotlivé rozměry čel, hřídele a pláště bubnu. Takto sestrojený buben je po konstrukční respektive pevnostní stránce vyhovující pro konkrétní zatíţení, pro která byl volen, i kdyţ by bylo vhodné je přepočítat, nejlépe pomocí nějakého MKP softwaru. Především je nutno provést pevnostní kontrolu hřídele pro maximální zatíţení, které můţe nastat při provozu hnacího bubnu, jak jiţ bylo dříve popsáno. Maximální

123


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

zatíţení zpravidla bývá vyvoláno přechodovými stavy dopravníku (rozběh, doběh - brţdění), a to především při rozběhu. Tab. 6. 3. Technické parametry čel bubnu [25]. Poř. č.

DT

1

630

2

630

3

800

4

800

5

1000

6

1000

7

1000

8

1250

9

1250

10

1400

11

1500

d 100 110 120 130 140 150 160 130 140 150 160 180 200 220 180 200 220 240 260 280 300 280 300 320 340 360 380 400 420 400 420 440 460 540 560 580 600

D1

Di

a

b

c

l

S1

D2

S2

634

146

100

75

25

90

20

610

20

634

186

110

80

30

100

20

610

20

804

186

110

80

30

100

24

780

24

804

246

130

100

30

120

24

780

24

1004

246

130

100

30

120

28

950

28

1004

306

140

100

40

150

28

950

28

1004

361

160

120

40

150

28

950

28

1254

361

160

120

40

150

32

1220

32

1254

521

170

120

50

160

32

1220

32

215

160

55

230

45

1340

45

215

160

55

230

45

1440

45

1406

1506

480 500 520 540 620 640 660 680

V této kapitole byly řešeny – minimalizovány důsledky zatíţení od sil v páse a sil od pohonů. Avšak je vhodné se také podívat na moţnost řešit a minimalizovat příčiny (vstupy) deformací, tedy samotné zatíţení bubnů. Například pro čela není paradoxně rozhodujícím zatíţením kroutící moment vyvolávající smyková napětí, ale právě ohybový moment, tedy normálová napětí vznikající od průhybu hřídele. Tento průhyb je způsoben především tahy v páse a na čelo se přenáší díky zmiňované tuhé vazbě mezi hřídelí a čelem (čelem a pláštěm). Je zřejmé, ţe kroutící moment nemohu minimalizovat bez změny dopravních parametrů, ale ze vztahů v kapitole č. 6.2 je patrné, ţe vhodnou volbou obloţení bubnu mohu zvýšit součinitel 124


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

tření mezi pláštěm – obloţením a pásem. Tímto zmenším zatíţení bubnu od sil v páse, neboť nebudu potřebovat tak velkou napínací sílu, jako u obloţení s menším součinitelem tření. V neposlední řadě je to také účinnost napínacího zařízení, které můţe ovlivňovat v závislosti na zaplnění pásového dopravníku dopravovaným materiálem ţivotnost bubnů a také ostatních částí dopravníku, jako jsou pohonné jednotky apod. Při nedostatečné napínací síle a účinnosti napínacího zařízení dochází k prokluzům dopravního pásu na hnacích bubnech, kde při opětovném „zachycení“ pásu pláštěm bubnu dochází v místě náběhu pásu na buben k nárůstu okamţité taţné síly v pásu v tomto místě na 4 aţ 7 násobek původní hodnoty. Tato síla a kmitání se sice nepřenáší podél dopravníku, jelikoţ je velice rychle tlumena. Má však obrovský vliv na ţivotnost bubnů (především pak hřídele) a také na jednotlivé převodové stupně převodovek. Největší nebezpečí však představuje pro mechanické spoje pásů, které se nacházejí právě v blízkosti místa náběhu pásu na buben.

6.6 Případová studie - Příklad výpočtu bubnu Výpočet se týká bubnu o průměru ø 1280 mm (obr. 6.17) pro pás šířky 1600 mm, dopravní rychlost pásu 6,3 m.s-1 s pohony 4 x 500 kW. Pro takovýto dvoububnový pohon můţeme spočítat jednotlivé síly na bubnech: T1 = 388 kN; T1,2 = 244 kN a T2 = 65,5 kN.

Obr. 6. 24. Tvar počítané hřídele.

6.6.1 Kontrola hřídele Ohybový moment na hřídeli v ose čela: M o 

T1  T1, 2 2

 l 2  316000  400  126,4  10 6 Nmm

6

Momenty od pohonu: Mx = Mp = 93,7.10 Nmm; My = 21,1.106 Nmm

125


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Výsledný moment:

M  M   M  174,2 10  M   M  125,5  10 Nmm 2

pod čelem: M  M T2  M 2p  v řezu I–I: kde je M oI 

MI 

T1  T1, 2 2

M

o

2

oI

y

y

2 p

2 x

6

Nmm

6

 200  63,2  10 6 Nmm

Napětí pod čelem:

o 

M 174,2  10 6   54 MPa Wo 3,217  10 6

Napětí v řezu I-I:

 oI 

M I 125,5  10 6   47 MPa WoI 2,651  10 6

Dále zjistíme bezpečnost pro normálové napětí pro průřez I-I, jenţ je ovlivněn vrubem osazením. Patřičný součinitel určíme z tabulek (například S. V. Serensen, V. P. Kogajev, R. M. Šnejderovič: „Únosnost a pevnostní výpočty strojních součástí“ – str. 609, tab. 11-54 a 11-56).    3,6  1,12  0,72  2,9  c - hodnota meze únavy pro materiál 11 600 je 250 MPa.

k 

c 250   1,9     oI 2,9  47

Bezpečnost pro smykové napětí ve zvoleném průřezu.

k 

c c 150    17 , kde     k    0,35   2,9  0,35  8,7

 c - mez únavy pro smykové napětí pro daný materiál je 150 MPa       2,9 k 

1      1  0,3    0,35   2

2 T1  T1, 2  t   rt   Mk 2 2  46  10 6      8,7 MPa Wk 2  WoI 5,3  10 6

126


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Celková bezpečnost pak je: kc 

k  k k k 2 

2 

1,9  17 1,9 2  17 2

 1,89  1,3 (hřídel vyhovuje)

Obr. 6. 25. Parametry čela a náboje.

6.6.2 Sklon ohybové čáry Poměr poloměrů čela (obr. 6.25) 

b 260   0,433   2  0,188 a 600

Součinitel závisející na rozměrech čela:

2 

4 1 4 1  2    7,56 2 2 2 12  1    1 12  1  0,3 0,188  1  lg   lg 0,433 2  1 0,188 2  1

Moment přenášený čelem: M 174,2  10 6 Md    7,95  10 6 N.mm 6 2J 2  736,6  10 1 1 3 l1  t   2 1600  183  7,56

kde pro průměr hřídele ø 350 mm mezi čely je J = 736,6.106 mm4. Tloušťka čela bubnu je t = 18 mm a vzdálenost čel l1 = 1600 mm. Úhel sklonu ohybové čáry v místě uloţení náboje čela pak bude:

h 

M  Md 174,2  10 6  7,95  10 6  l1   1600  0,000859 2EJ 2  0,21  10 6  736,6  10 6

127


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Po převodu na minuty 0,859  10 3 

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

180 60   002 ' 96 ''  3' (hřídel vyhovuje)  100

Kontrola napětí v hřídeli mezi čely – za nábojem: M  M h  M d  M h  M  M d  174,2  10 6  7,95  10 6  166,25  10 6 Nmm

Mh Mh 166,25  10 6    63 MPa Wo   d 3h   300 3 32 32 6.6.3 Kontrola náboje a přesahu o 

Poţadovaný svěrný moment, který zahrnuje zvolenou bezpečnost (zvolena 2):

M p  2  M k  2  46  10 6  92  10 6 Nmm Potřebný tlak:

p

2  Mp   d2  l  f

2  92  10 6  20 MPa   320 2  300  0,1

Minimální přesah: d A 

dp 320  20 4  3,2  1,6  1  C1   H   1  2,6   0,129 mm E 210000 1000

kde konstanta tlakového spojení pro poměr

D 480   1,5  C1  2,6 C d 320

Parametry uloţení:

H7/s6

s6

H7

Přesah

H7/t6

t6

H7

Přesah

Min

190

0

133

Min

268

0

211

Max

226

57

226

Max

304

57

304

128


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Kontrola napětí v náboji při toleranci H7/t6

p1 max  p  p1 min  p 

d1 max d A d1 min d A

 20   20 

304  47 MPa 129

211  33 MPa 129

Obr. 6. 26. Parametry uloţení čela.

Napětí na vnitřním průměru náboje (obr. 6.26)  t1  p1 max  C1  47  2,6  122 MPa

Napětí na vnějším průměru náboje  t 2  p1 max  C1  1  47  2,6  1  75 MPa

Výsledné redukované napětí na povrchu díry

 red  p1 max  C12  2    C1  1  47  2,6 2  2  0,3  2,6  1  144 MPa  red  144 MPa  180 MPa - (vyhovuje)

Bezpečnost k mezi kluzu materiálu 11 375

k

 kt 220   1,5  1,3 - (vyhovuje)  red 144

129


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

6.6.4 Napětí v čele bubnu v místě svaru Jednotlivé parametry jsou patrny z obr. 6.27 

r 280   0,466   3  0,101 a 600



b 260   0,433   2  0,188 a 600

Obr. 6. 27. Parametry čela.

Namáhání od průhybu hřídele:

 r    r 

3  Md 1  2 2    a  t 1  2

 1  2 2    3,3    1,3   0,7  3   cos   0     

3  7,95  10 6 1 1  0,188 0,188      3,3  0,466  1,3   0,7   2 0,466 0,101  2    600  18 1  0,188 

 r  50,6 MPa

 1  2 2   1,9    1,3   0,7  3   cos   0      6 3  7,95  10 1 1  0,188 0,188    t    1,9  0,466  1,3   0,7   2 0,466 0,101  2    600  18 1  0,188 

 t  

3  Md 1  2 2    a  t 1  2

 t  18,5 MPa

  1   2  2   0,7       3   sin    0        3  7,95  10 6 1 1  0,188 0,188       0,7    0,466    2 0,466 0,101  2    600  18 1  0,188     

3  Md 1  2 2    a  t 1  2

   2,6 MPa

130


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Namáhání od sil v rovině čela:

   8,91   2  1,69  4,3        1 , 69   2 3 T1  T2  0,825     cos  T r       5 , 2 2a t  10,8   2  2        8,91  0,188  1,69  4,3    1,69   0,466   0,101 632000 0,825  0,188    Tr     5 , 2  2    600  18  0,466 10,8  0,188    0,188   T  r  3 MPa

   8,91   2  1,69  12,9        5 , 07   2 3 T1  T2  0,175     cos  T t     5 , 2 2a t   10,8   2  2        8,91  0,188  1,69  12,9    5,07   0,466   0,101 632000 0,175  0,188    Tt    5 , 2  2    600  18  0,466 10,8  0,188    0,188    Tt  2,3 MPa

   8,91   2  1,69  4,3   2  1,69      3  T  T2  0,175     sin  T  1     5 , 2 2a t  10,8   2  2        8,91  0,188  1,69  4,3    1,69   0,466   0,101 632000 0,175  0,188   T    5,2  2    600  18  0,466 10,8  0,188    0,188   T   17 MPa Namáhání kroutícím momentem:

 Mk 

T1  T2 1 144000 1  2    5 MPa 4a  t  4    600  18 0,217

Součet napětí: tg 

Mx 93,7  10 6   0,635    3225' M y  M o 147,5  10 6 131


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.



r

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

  r   Tr  cos   50,6  3  0,844  53 MPa

      t

 t

Mk

  Tt  cos   18,5  2,3  0,844  17 MPa

  T  sin   5  17  0,536  14 MPa

Průkaz bezpečnosti svaru:



 min      T   Mk  2,6  17  5     0,6  max 2,6  17  5    T   Mk

(z tabulky 1.13; str. 280 „Grundlagen der Fordertechnik“) dov pro   0,6  dov  75,7 MPa pro způsob namáhání VI. (obr. 6.28).

 dov c 

 min  1   dov c  63,6 MPa (pro materiál 11 373)  max

Obr. 6. 28. Schémata způsobů namáhání [21].

Musí platit:    r   t 1   r   t     2   dov c  dov c  

     4        dov   2

2

  1  

2 2 1  53  17  53  17   14        4  1 2  63,6 63,6  75,7       0,89  1 - (vyhovuje)

132


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Obr. 6. 29. Parametry pláště.

6.6.5 Kontrola pláště bubnu Parametry pláště (obr. 6.29) t = 20 mm l = š = 1600 mm rt = 615 mm Pomocná veličina:

k

t2 20 2   10 5 k  8,81 2 2 12  rt 12  615

l 1600   800 mm 2 2   rt   615 x 800    1,208     1,208   1,57 l 1600 rt 615 x

 x  x sin     1 ; cos     0  rt   rt  Z grafů pak určíme jednotlivé součty Fourierových řad pro 105 k  8,81 a   1,208 :

R

mx

 2,8;  R m  4,5;  R mx  2,2;  R mx  4,2;  R m  6,5;  R mx  3,4

133


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Jednotlivá napětí pak spočítáme dle dříve uvedených vzorců:

 x T  T2  T  T2  x   1   R mx  1   R mx   sin    l t  2lt   rt  144000  632000  x    2,8   4,2   1   1600  20  2  1600  20   x  34 MPa

 x T  T2  T  T2     1   R m  1   R m   sin    l t  2lt   rt  144000  632000      4,5   6,5   1   1600  20  2  1600  20     54 MPa

 x T  T2  T  T2   x   1   R mx  1   R mx   cos    l t  2lt   rt  144000  630000   x    2,2   3,4   0   1600  20  2  1600  20   x  0

Průkaz bezpečnosti svaru (postup je obdobný jako u čela bubnu):       1

dov pro   1  dov   dov c  63,6 MPa (pro materiál 11 373) Musí platit:    r   t 1   r   t     2   dov c  dov c   x 1  dov c

     4        dov   2

2

  1  

54,4 1 63,6 0,85  1 - (vyhovuje)

134


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

6.6.6 Grafická část Níţe jsou uvedeny grafy, které znázorňují závislost jednotlivých napětí v jednotlivých částech bubnu v závislosti na parametrech – dimenzi těchto částí. V některých grafech je srovnán výše počítaný hnací buben (viz kap. 6.4

v grafech označován jako „původní“) s navrhovaným

bubnem dle obr. 6.20 (v grafech označován jako „nový“). V grafu 6.1 je vyobrazen průběh redukovaných napětí srovnávaných bubnů v čele a plášti bubnů při proměnné vzdálenosti os loţisek a čel „c“. Je zde patrné podstatné sníţení napětí u navrhovaného bubnu a hlavně je moţno pozorovat postupné sniţování redukovaného napětí v čele tohoto typu bubnu při současném zvyšování vzdálenosti os loţisek a čel – parametr „c“. V grafu 6.2 jsou průběhy napětí v čele bubnu při proměnném průměru hřídele mezi čely „d“. S rostoucím průměrem logicky klesají také jednotlivá napětí, neboť svou vyšší tuhostí zachytává větší ohybový moment vznikající mezi čelem a hřídelí. Logicky u navrhovaného typu bubnu je tento moment nulový. V grafu 6.3 jsou napětí v plášti v závislosti na poloze počítaného prvku – vzdálenost od čela „x“. V grafu 6.4 (původní) a v grafu 6.5 jsou zachycena napětí v čele bubnu v závislosti na poloměru počítaného prvku čela „r“. Pro názornost jsou redukovaná napětí těchto bubnů porovnávaná v grafu 6.6. Je zde patrný vhodnější a mnohem niţší průběh napětí navrhovaného bubnu a také menší závislost na počítaném poloměru. Čelo takového to bubnu nemusí být „zbytečně“ hmotné. V grafu 6.7 je srovnání redukovaných napětí v čele bubnů v závislosti na tloušťce čela „t“. Napětí navrhovaného bubnu logicky s tloušťkou klesá, protoţe není na něj přenášen ohybový moment od průhybu hřídele. Naopak je tomu u původního typu bubnu, kde čelo větší tloušťky má větší tuhost a menší pruţnost, čímţ se v něm indikuje větší napětí. Z níţe uvedených grafů je patrné prodlouţení ţivotnosti navrhovaného bubnu za současného podstatného sníţení jeho hmotnosti.

135


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Graf 6.1. Napětí v čele a plášti bubnu při proměnné vzdálenosti os loţisek a čel „c― Napětí v čele a plášti při proměnné vzdálenosti os ložiska a čela "c" 65,00 60,00

Napětí [N.mm 2]

55,00 50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 100

150

200

250

300

350

400

450

500

Vzdálenost os ložiska a čela (c) [mm] Reduk. - čelo (nový)

Reduk. - plášť (nový)

Redukované - plášť

Redukované - čelo

Graf. 6.2. Napětí v čele bubnu při proměnném průměru hřídele mezi čely „d―. Napětí v čele při proměnném průměru hřídele mezi čely "d" 300,00

Napětí [N.mm 2]

200,00

100,00

0,00

-100,00

-200,00

-300,00 220

240

260

280

300

320

340

360

Průměr hřídele mezi čely (d) [mm] Radiální

Obvodové

Sm yk ové

Re duk ované

136


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Graf 6.3. Napětí v plášti v závislosti na poloze počítaného prvku – vzdálenosti od čela „x―.

Průběh napětí v plášti po jeho délce 60,00

Napětí [N.mm 2]

50,00

40,00

30,00

20,00

10,00

0,00 0

100

200

300

400

500

600

700

800

Souřadnice počítaného prvku pláště (x) [mm] Podélné

Obvodové

Sm ykové

Redukované

Graf 6.4. Napětí v čele bubnu v závislosti na poloměru počítaného prvku čela „r― – původní typ bubnu. Napětí v čele při proměnném poloměru počítaného prvku čela "r" - původní 60,00

Napětí [N.mm 2]

40,00

20,00

0,00

-20,00

-40,00

-60,00 280

303

326

349

372

395

418

441

464

487

510

533

556

579

602

Poloměr počítaného prvku (r) [mm] Radiální

Obvodové

Sm ykové

Redukované

137


Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Kapitola VI. Kapitola I.

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Graf 6.5. Napětí v čele bubnu v závislosti na poloměru počítaného prvku čela „r― navrhovaný typ bubnu. Napětí v čele při proměnném poloměru počítaného prvku čela "r" - nový 25,00

Napětí [N.mm 2]

20,00

15,00

10,00

5,00

0,00

-5,00 280

330

380

430

480

530

580

Poloměr počítaného prvku (r) [mm] Radiální

Obvodové

Sm ykové

Redukované

Graf 6.6. Srovnání redukovaného napětí v čele bubnu v závislosti na poloměru počítaného prvku čela „r―.

Napětí v čele při proměnném poloměru počítaného prvku čela "r" 60,00 55,00 50,00

Napětí [N.mm 2]

45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 280

303

326

349

372

395

418

441

464

487

510

533

556

579

602

Poloměr počítaného prvku (r) [mm] Redukované - nový

Redukované - původní

138


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Graf 6.7. Srovnání redukovaného napětí v čele bubnu v závislosti na tloušťce čela „t―. Napětí v čele při proměnné tloušťce čela "t"

80 70

Napětí [N.mm -2]

60 50 40 30 20 10 6

12

18

24

30

36

Proměnná tloušťka čela (t) [mm] Redukované - nový

Redukované - původní

Na níţe uvedených obrázcích je patrná nevhodnost analytických výpočtů. Počítaný buben v kapitole č. 6.4 byl počítán také Metodou konečných prvků. Na obr. 6.23 a 6.24 je znázorněno rozloţení redukovaného napětí v čele bubnu. Zatímco na obr.6.24 je buben s hřídelí s přechodem z průměru hřídele pod nábojem (ø 320 mm) na průměr hřídele mezi čely (ø 350 mm) ve formě zápichu (ø 300 mm), tak u obr. 6.24 je tento přechod ve formě „pouhého“ zaoblení. Je zde patrný relativně značný nárůst napětí, který ovlivňuje ţivotnost bubnu. Horší však je to, ţe analytickým výpočtem tento problém není moţné odhalit. Proto je ze všech pouţívaných výpočtů bubnů pásových dopravníků nejvhodnější Metoda konečných prvků, protoţe je schopna podchytit i zdánlivě banální parametry jednotlivých částí počítaného bubnu.

139


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Obr. 6. 30. Redukovaného napětí v čele bubnu - přechod ve formě zaoblení.

Obr. 6. 31. Redukovaného napětí v čele bubnu - přechod ve formě zápichu.

140


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Závěr Pásové dopravníky a jejich teorie, zejména v současné době při pouţívání stále vyšších parametrů představuje souhrn otázek a problémů značné sloţitosti. Okruh a rozsah poznatků v důsledku rozšíření pásové dopravy a jejího nasazení v nejtěţších podmínkách se neustále rozšiřuje a je nutno si znalosti v tomto oboru stále doplňovat a korigovat některé dřívější poznatky. Při stanovení základního parametru dopravovaného objemového mnoţství vzhledem k účinkům destrukce materiálu v místech přesypů a na trase dopravníku nutno zásadně počítat s dynamickým sypným úhlem materiálu a nikoliv se statickým. Tento úhel je značně niţší neţ statický. Při stanovování potřebných výkonů pohonů vícebubnových pohonů nutno uvaţovat určitý součinitel vyuţití (či součinnosti) těchto pohonů. Vyplývá to především z mechaniky rozdělování zatíţení na jednotlivé pohony a z koncepce řešení pouţitých pohonů. Při návrhu celých dopravních linek nutno zajistit sladění doby havarijních doběhů jednotlivých dopravníků v lince. Tuto problematiku je nutno řešit jiţ při návrhu prvního poloţení dopravníku v lince. Rozdělení dopravní linky na jednotlivé sekce je nutno zvaţovat i z tohoto hlediska a zásadně, pokud moţno se vyvarovat řazení krátkých, strmých dopravníků po dlouhých vodorovných, či pouze mírně stoupajících dopravnících. V některých případech nutno rozdělit sekci na dvě části. Zejména důleţité je posouzení zařazení spádových dopravníků. Výpočet doby doběhu a zváţení moţností sladěnosti by mělo být jedním ze základních ukazatelů projektu, neboť toto do značné míry ovlivňuje provozní spolehlivost celé dopravní linky. Silové poměry pásového dopravníku je nutno zásadně řešit komplexně pro všechny fáze pohybu. Nutno porovnat maximální dosaţené hodnoty tahů v pásu v jednotlivých fázích pohybu a na základě vyhodnocení jejich vlivu pak provádět návrh a kontrolu strojních částí a ocelové konstrukce. Provozní účinky je nutno uvaţovat s ohledem na počet cyklů (trvání) na působení vlivu únavy materiálu a účinky při rozběhu a brţdění pak jako statické. Jedná se zejména o hnací ústrojí (bubny, převodovky apod.) a napínací ústrojí. Zde je vhodné vyuţít reálných zátěţných účinků získaných například tenzometrickým měřením přímo na hřídeli bubnu. Při návrhu bubnů je nutno dodrţovat příslušná pravidla. Jak u hnacích, tak také u hnaných bubnů je vhodné volit design, u kterého je vyřešen problém tuhé vazby mezi hřídelí a čelem bubnu. Zatím co u hnaných bubnů je toto řešení jednoduché, u hnacích je toto sloţitější, neboť je

141


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

nutno zajistit, kromě zachycení radiálních sil od tahu v páse a zatíţení od tíhových sloţek pohonů, také přenos kroutícího momentu z hřídele přes čelo a plášť bubnu na dopravní pás. Tato problematika není tak jednoduchá, jak se na první pohled můţe zdát. Proto je moţné očekávat další konstrukční vývoj, a to nejen bubnů, ale také jednotlivých navazujících prvků pásových dopravníků popřípadě celých linek.

142


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Reference Knihy: [1]

Polák, J. – Bichler, J. Dopravní zařízení v hlubinných dolech. Ostrava: Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, 1990. str. 381.

[2]

Fuxa, J. Napěťový stav bubnů pásových dopravníků. Docentská habilitační práce. Ostrava: Vysoká škola báňská –Technická univerzita Ostrava, 1990. str. 63.

[3]

Štrofek, E. a kol. Dopravné pásy v priemysle. Košice: Štroffek Košice, 1995. 204 str. ISBN 80-967325-0-1.

[4]

Mašín, O. Doprava a dopravní zařízení pro povrchové doly. Ostrava: Metasport Ostrava, 1987. 104 str.

[5]

Toušek, E. Prokluz pásu na poháněcím bubnu pásového dopravníku. Kandidátská práce. Praha: ČVUT Praha, 1985. 145 str.

[6]

Polák, J. - Pavliska, J. - Slíva, A. Dopravní a manipulační zařízení I. Ostrava: Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, 2001. str. 99. ISBN 80-248-0043-8.

[7]

Scheffler, M. - Pajer, G. - Kurth, F. Grundlagen der Fördertechnik. Berlin: Verlag Technik, Německo, 1975. 403 str.

[8]

Serensen, S., V. - Kogajev, V., K. - Šnejderovič, R., K. Únosnost a pevnostní výpočty strojních součástí. Praha: SNTL Praha, 1967. 630 str.

[9]

Vojtek, Z. – Matůšová, S. – Polák, J. – Macura, M. – Malyška, B. PVC dopravní pásy Fatra. Napajedla: ALIACHEM, a.s. Praha, odštěpný závod FATRA, 1999. 93 s.

[10]

Grujić, M. Transport i izvoz u rudnicima. Beograd: Goragraf Beograd, Rudarsko – geološki fakultet, 1999, 652 s. ISBN 86-7352-017-7.

[11]

Antoniak, J. Urządzenia i systemy transportu podziemnego w kopalniach. Katowice: Wydawnictwo Śląsk, 1990. 774 s. ISBN 83-216-0709-8.

[12]

Bahr, J. Pásové dopravníky v hornictví. Praha: SNTL Praha, 1962, 208 s. 04-417-62.

[13]

Drobný, J. Dálková pásová doprava. Praha: SNTL Praha, 1970, 156 s. 04-402-70.

[14]

FRIES, J. Pásové dopravníky, bubny a jejich výpočet. Ostrava: Ediční středisko VŠB-TU Ostrava, 2009. 189 str. ISBN 80-248-0484-0. 143


Kapitola VI. Kapitola I.

Nové technologie v oblasti pásových dopravníků Dopravní a liniové stavby

Autor: doc. Ing. Jiří Fries, Ph.D. Autor: Ing.

Časopisy: [15]

Surface mining, Braunkohle & Other Minerals. Design of Belt Conveyor Pulleys with Locking Devices as Shaft-Hub-Connection. Clausthal-Zellerfeld, Německo 2002, vol. 54, no. 2, p. 115-126. ISSN 0931-3990.

[16]

Surface mining, Braunkohle & Other Minerals. Investigation on a belt conveyor pulley with self supporting shell. Clausthal-Zellerfeld, Německo 2002, vol. 54, no. 4, p. 357370. ISSN 0931-3990.

Normy: [17]

ČSN ISO 5048

[18]

ČSN 01 4686

[19]

ČSN 01 4216

[20]

ŠN 43 5362

[21]

NTR1020b

Firemní literatura: [22]

Tecno Rulli: Rubber rings rollers and drums for belt conveyors.

[23]

Tecno Rulli: Tragrollen aus stahl und PVC für förderbandanlangen.

[24]

Tecno Rulli: Tragrollen und angetriebene tragrollen für rollenbahnen.

[25]

BIKON-Technik GmbH: Shaft to hub connections.

[26]

Ringfeder VBG GmbH: Locking Assemblies.

[27]

SKF: SH-Bushing - The mechanical friction joint.

[28]

SKF Loţiska, a.s.: Hlavní katalog.

[29]

SIG s.p.s.: Conveyor belts - Engineering manual.

[30]

Zegzulka, J. Typizované konstrukce bubnů - Příručka

144


7 KAPITOLA VII. VYUŢITÍ POZNATKŮ Z DOPRAVY A MANIPULACE Autor: Ing. Leo Boháč

Úvod Provoz pásových dopravníků je „od nepaměti“ spojen s celou řadou potíţí při zajišťování přenosových schopností jejich pohonů, které se v konečné fázi stále ještě projevují ve zvýšené úrazovosti, coţ se týká zejména úrazovosti nejzávaţnější – smrtelné. Pro získání alespoň orientační představy lze uvést, ţe smrtelná úrazovost, ke které dochází v našich podmínkách v rámci celé skupiny dopravníků, se dlouhodobě podílí v rozsahu od 1,5 % do 3,9 % na celkové smrtelné pracovní úrazovosti České republiky; na této úrazovosti se pak z více jak 58% podílí dopravníky pásové. Od 1. 1. 2003 nabylo účinnosti Nařízení vlády č. 378/2001 Sb., kterým se stanoví bliţší poţadavky na bezpečný provoz a pouţívání strojů, technických zařízení, přístrojů a nářadí. Je zcela logické, ţe tento důleţitý bezpečnostní předpis se v plném rozsahu vztahuje i na zařízení pro plynulou dopravu nákladů – tudíţ i na pásové dopravníky.

7.1 Ztráta přenosových schopností pohonu pásových dopravníků Základní nehodovou událost u pásových dopravníků dlouhodobě tvoří vtaţení těla, resp. části těla člověka (především jeho ruky), která se podílí na cca 65 % smrtelných úrazů. Přes 51 % z těchto úrazů pak představuje vtaţení do místa náběhu dopravního pásu (unášecího prostředku) na buben pásového dopravníku. Ke kaţdému třetímu smrtelnému úrazu v rámci celé skupiny dopravníků tedy dlouhodobě dochází při vtaţení do místa náběhu unášecího prostředku na buben pásového dopravníku. Z hlediska bezpečnosti práce a úrazové prevence se jedná o zásadní problém. Z praxe je dostatečně známo, ţe ke vtaţení (zejména ruky člověka a v krajním případě i celé osoby) do míst náběhu dochází nejčastěji při čištění bubnu, popř. dopravního pásu a to při prokluzu dopravního pásu, kdy vzniká relativní pohyb dopravního pásu vůči poháněcímu bubnu, způsobený rozdílem rychlostí dopravního pásu a obvodové rychlosti hnacího bubnu. V krajním případě se můţe dopravní pás i zastavit. Znamená to tedy, ţe hlavní cesta úrazové prevence,

145


Vyuţití poznatků z dopravy a manipulace Dopravní a liniové stavby

KapitolaVII. Kapitola I.

Autor: Ing. Leo Boháč Autor: Ing.

sledující zajištění bezpečnosti pásových dopravníků by měla sledovat otázku zajištění přenosových schopností pohonu pásového dopravníku a to ve všech případech, které mohou při provozu nastat. K prokluzům dochází nejčastěji při nalepování zejména kluzkého a mokrého materiálu na povrch bubnu, popř. na vnitřní - dolní krycí vrstvu dopravního pásu. Při provozu pásových dopravníků je tudíţ nutno zajistit takový stav třecích ploch, který byl předpokládán jiţ při jejich návrhu, resp. výpočtu dle ČSN (2) – viz následující přehled: Tab. 7. 1. Hodnoty součinitele tření, mezi poháněcím bubnem a pryţovým pásem.

Stav stykových ploch

Součinitel tření (μ)

FENNER

FENNER

P=0,3kg/cm2 V=50m/min

P=0,3kg/cm2 V=50m/min

Hladký ocelov ý buben Suché a čisté 0,350,4 Čisté a mokré 0,1 (voda) Mokré a 0,05znečištěné 0,1 (jíl nebo hlína)

Pryţové obloţení (šípové dráţky) 0,4-0,45

Polyuretanové obloţení (šípové dráţky) 0,35-0,4

Pryţové obloţení Profilová pryţ 0,4-0,5

Nástřik keramikou (šípové dráţky) 0,40-0,45

Flex-LAG

0,35

0,35

0,23-0,26

0,35-0,4

0,48-0,78

0,25-0,3

0,2

0,18-0,22

0,35

0,42-0,51

0,74-0,83

V literatuře je popsáno mnoho pracovních úrazů, ke kterým došlo při natírání dopravního pásu za chodu dopravníku různými prostředky (např. kalafunou, asfaltem apod.) pro zvýšení součinitele tření a zamezení vzniku prokluzů. Dokonce jsou známy případy dodatečného zdrsňování povrchu hnacího bubnu - kupř. nanášením svarových housenek za stejným účelem. Naznačenou praxi je ale nutno co nejrozhodněji odmítnout, neboť při ní dochází jak k předčasnému znehodnocení dopravního pásu, tak zejména k váţnému ohroţení bezpečnosti obsluhy. Dodejme, ţe mazání bubnů, odstraňování nalepeného materiálu, čištění pásů apod. provádí obsluha či údrţba nejčastěji právě za chodu dopravníku, resp. při vzniku prokluzu ( i kdyţ oficiálně je to různými předpisy zakázáno).

7.2 Moţnosti zvýšení součinitele tření Přijatelný způsob zvýšení hodnoty součinitele tření u pohonů pásových dopravníků představuje potaţení povrchu hnacího bubnu materiálem o vyšší hodnotě součinitele smykového tření. Takovouto úpravu lze provést i dodatečně na jiţ provozovaném zařízení; nutno ale dodat – po zodpovědném technickém posouzení příslušného zařízení. Jako příklad lze uvést, ţe hodnoty 146


KapitolaVII. Kapitola I.

Vyuţití poznatků z dopravy a manipulace Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Leo Boháč Autor: Ing.

součinitele tření u klasických bubnů s ocelovým hladkým povrchem jsou přibliţně poloviční oproti stejnému pogumovanému bubnu v hladkém provedení, který dosud představuje nejčastěji realizované opatření ke zvýšení součinitele smykového tření. Potom hodnota součinitele tření dále naroste, přičemţ progresivní nárůst hodnoty uvedeného součinitele je patrný u mokrých, ale zejména znečištěných povrchů. (Tab. 7.2)

Obr. 7. 1. Pogumovaný povrch bubnu s dráţkováním.

147


Vyuţití poznatků z dopravy a manipulace Dopravní a liniové stavby

KapitolaVII. Kapitola I.

Autor: Ing. Leo Boháč Autor: Ing.

Tab. 7. 2. Relativní nárůst hodnot součinitele tření u pogumovaných bubnů.

Suchý (100 %) 180 % 200 %

Stav stykových ploch Mokrý (100 %) 186,6 % 240 %

Znečištěný (100 %) 125 % 325 %

250 %

500 %

512,5 %

Povrch bubnu Ocelový hladký Pogumovaný hladký Pogumovaný dráţkovaný.-.provedení 1* Pogumovaný dráţkovaný.-.provedení 2*

poznámka: je uvaţováno s dráţkováním dle ČSN 26 3102, schválené 14. 7. 1988(3) viz. obr. 7.1.

7.2.1 Keramika V poslední době se nejen v nejvyspělejších státech, ale jiţ i u nás, začíná při obkládání hnacích bubnů u pásových dopravníků vyuţívat keramických destiček FLEX-LAG opatřených bradavkovitými výstupky. Praktické zkušenosti s těmito obklady jednoznačně prokázaly nejen zvýšení přenosových schopností taţné síly z takto upravených bubnů a tím i bezpečnosti příslušných pásových dopravníků, včetně bezpečnosti jejich obsluhy a to i v porovnání s bubny pogumovanými, ale i zlepšení jejich provozuschopnosti a ţivotnosti. Jiţ v minulosti se postupně přecházelo od čistě mechanických úprav hnacích bubnů, sledujících zvýšení součinitele tření, jako byly obklady plášťů bubnů dřevěným latěním, navařování drátů apod., k úpravám povrchů plášťů vulkanizovanou gumou a následně gumou lepenou za studena. První krůčky k vyuţití keramických materiálů vedly k přímým nástřikům keramiky na kovový povrch bubnů. Keramické materiály jsou sice značně tvrdé, otěruvzdorné, tepelně odolné, ale i velice křehké, na coţ i doplatily první pokusy zaloţené na přímém nástřiku keramiky. V další fázi se křehkost keramiky začala eliminovat vytvářením kostek z keramiky drcené, spojované pomocí lepidla na bázi polymerů, které byly zavulkanizovány v gumových pásech, jenţ se následně lepily na kovový povrch bubnů. Tento následný krok ve snaze o zvýšení součinitele smykového tření vyloučil křehkost keramického materiálu tím, ţe keramika byla ukládána do odpruţeného lůţka z gumy. Takto byla křehkost sice odstraněna, ale nastoupil další problém; polymer se časem začal rozkládat, čímţ docházelo k vydrolování keramiky a tím i k znehodnocení celého povrchu pláště bubnu. V další etapě byly nastoupeny dvě cesty dalšího postupu. První cesta sledovala zdokonalení spojovacího lepidla; touto se vydali zejména ve Francii. Druhá cesta, kterou nastoupili Američané (Australané) a také Němci, vedla k vývoji

148


Vyuţití poznatků z dopravy a manipulace Dopravní a liniové stavby

KapitolaVII. Kapitola I.

Autor: Ing. Leo Boháč Autor: Ing.

destiček ze slinuté keramiky – oxidu hlinitého. Destičky o rozměrech 20 x 20 mm opatřené výstupkovými povrchy (podobně jako u stavebnice LEGO) se následně zavulkanizovaly do pásu gumy (obrázek 7.2). Popsané provedení je určeno jak pro nevýbušné, tak i výbušné prostředí. Firmou DvB-AF s.r.o. nabízený výrobek FLEX-LAG představuje druhou cestu vývoje. Takţe následně se stal největším problémem způsob nalepování této keramiky přímo na buben. Vše zaleţelo na práci lepičů a dodrţování technologických postupů, zejména časových intervalů při lepení. Odstranění tohoto rizikového fakturu vedlo k vytvoření pásků keramiky v dokonalejší formě pod označením FLEX-LAG WELD, který umoţňuje potaţení hnacích bubnů pomocí technologie svařování čímţ se zcela eliminují problémy spojené s lepením bubnů (lidský faktor).

Obr. 7. 2. Způsoby nalepování keramiky na buben.

K hlavním přednostem FLEX-LAG keramiky oproti dříve pouţívaným obkladovým materiálům patří zvýšení součinitele tření zejména v nejtěţších provozních podmínkách, kdy dochází ke značnému znečišťování stykových ploch mezi povrchem hnacího bubnu a dopravním pásem.Hodnoty součinitele smykového tření dosahované v běţných provozních podmínkách, které se mohou i značně odchylovat od hodnot výpočtových - viz předcházející tabulku, jsou přibliţně následující:  0,15 - 0,20

pro hladké ocelové bubny,

 0,35 – 0,45

pro pogumované bubny s gumou o tvrdosti cca 60 Sh,

přičemţ vlivem stárnutí – tvrdnutí gumy se tato hodnota časem sniţuje,  aţ 0,75

pro keramiku lepenou,

 cca 0,97 i více pro keramiku FLEX-LAG. S ohledem na bradavkovité výstupky, kterými jsou keramické destičky FLEX-LAG opatřeny, neměl by se při jejich pouţití prokluz vyskytovat. Bradavkovité výstupky se totiţ „zaboří“ do relativně měkké krycí vrstvy dopravního pásu a takto vytvořený „spoj“ se chová jako ozubený převod.Mnoţství výstupků zabořených do krycí vrstvy pásu,vytvoří dostatečně velkou opěrnou plochu,která vyuţitím pruţnosti gumy této vrstvy pásu přenáší bez jeho poškození kroutící moment. Klasický prokluz můţe nastat pouze v tom případě, ţe příslušný

149


KapitolaVII. Kapitola I.

Vyuţití poznatků z dopravy a manipulace Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Leo Boháč Autor: Ing.

dopravník stojí, pás není napnut a povrch pásu namrzne a při rozjezdu dopravníku dojde v dráze záběru bradavkovitých výstupků k drcení této zledovatělé vrstvy.

Obr. 7. 3. Ukázka bubnu s keramickým obloţením..

Provozní zkušenosti, které získala firma DvB-AF s.r.o. s keramikou FLEX-LAG jsou značné. Za zmínku stojí i ta skutečnost, ţe za přispění Českého báňského úřadu a Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava byla provedena certifikace vlastností a struktury uvedené keramiky a jsme dosud jedinou zemí, kde bylo takovéto hodnocení uskutečněno. V průběhu dvanácti let byly získány následující kladné zkušenosti: 1. Bezproblémový rozběh dopravního pásu, 2. Výrazné zvýšení bezpečnosti provozovaných zařízení – kupříkladu zcela odpadly problémy spojené s rozjezdem dopravníků, které tvořily nejčastější příčinu smrtelných úrazů registrovaných při jejich provozu a údrţbě. 3. Vysoká ţivotnost upraveného bubnu – po celou dobu provedené úpravy tj. 12 let a více. 4. Úspora elektrické energie – v souvislosti s bezproblémovým rozjezdem dopravníku moţnost instalace motoru o niţším výkonu. 5. Úspora pracovních sil – původně nutných pro obnovení provozu prokluzujícího dopravníku. 6. Moţnost prodlouţení tratí pásových dopravníků (cca o 30 %) – při ponechání stávajícího motoru. 7. Odolnost keramiky proti chemikáliím. 8. Elektrostatická nevodivost pouţité keramiky. 9. Snadná instalace. 10. Snadná případná oprava poškozeného místa na bubnu.

150


KapitolaVII. Kapitola I.

Vyuţití poznatků z dopravy a manipulace Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Leo Boháč Autor: Ing.

V rámci hodnocení je třeba také uvést problémy spojené se selháním „lidského faktoru“, které firma v průběhu sledovaného období zaznamenala a to:  Vlivem neprofesionálního spojení dopravního pásu pomocí hřebíků ohnutých do protisměru běhu pásu vznikla mechanická porucha, kdy vlivem zahnutých hřebíků došlo k „vypíchnutí“ keramiky z gumového lůţka.  Vlivem přehřátí hřídele a následně i bubnu od zadřeného loţiska došlo k vypálení nalepené gumy s keramickými destičkami(u svařovaných pásků odpadá).  Byl zaznamenán případ „ukroucení“ hřídele bubnu pásového dopravníku, který byl původně počítán na vliv prokluzu a neměl pruţnou spojku nebo plynulý rozběh. Celkově lze říci, ţe bubny obloţené keramikou FLEX-LAG jsou provozuschopné i v těch nejtěţších provozních podmínkách. Při vzniku blátivých nánosů jiţ způsob osazení keramických destiček na bubnu umoţňuje částečné vytěsňování nánosového materiálu z povrchu bubnu – podobně jako pomocí dráţkování u bubnů pogumovaných. Přitom blátivé nánosy lze odstranit i proudem vody. Lze konstatovat opak doposud prosazovaných názorů,čím suchší tím lepší,názorem čím více vody,tím lépe. Takto upravený buben přestává být nejslabším článkem celého pásového dopravníku. Navíc jej jiţ není nutno osazovat dřívější nutnou indikací – kupř. prvkem na hlídání teploty apod. Ţivotnost této keramiky je zatím u nás dosaţena prokazatelně 12 let a doposud bez jakékoli známky poškození běţí. Bliţší informace lze získat popř. na adrese www.flexco.cz.

151


KapitolaVII. Kapitola I.

Vyuţití poznatků z dopravy a manipulace Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Leo Boháč Autor: Ing.

Reference [1] Dušátko, A.:Nařízení vlády č. 378/2001 Sb. - důleţitý předpis k zajištění bezpečnosti a ochrany zdraví při práci, Logistika 2002, čís. 7-8, s.18 [2] ČSN ISO 5048 (26 3102) – Zařízení pro plynulou dopravu nákladů. Pásové dopravníky s nosnými válečky. Výpočet výkonu a tahových sil [3] ČSN 26 3102 Dopravní zařízení. Pásové dopravníky. Zásady výpočtu, schválené 14. 7. 1988 s účinností od 1. 7. 1989 [4] Certifikační protokoly o zkouškách FLEX-Lag

152


KAPITOLA VIII. DŮLNÍ DOPRAVA A ASPEKTY DŮLNÍ DOPRAVY Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D.

8

Úvod Hlavně černé uhlí má nezastupitelnou úlohu v metalurgických procesech, zejména ve výrobě surového ţeleza. Vyuţívá se ve své původní formě, nebo jako tuhé a plynné deriváty, např. koks a plyn. Proto je těţba černého uhlí z dlouhodobého hlediska velice důleţitá. Dle (graf 8.1) je zřetelné jaké jsou v současnosti světové zásoby uhlí a dle (graf. 8.2) je moţno také prokázat, které země této těţby uhlí nejvíce vyuţívají. Graf 8.1. Světové zásoby uhlí (zdroj MPO 8. 1. 2009).

Graf 8.2. Světový producenti uhlí za rok 2007 (zdroj MPO 8. 1. 2009).

153


Kapitola VIII. Kapitola I.

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

Perspektiva efektivního dobývání uhelných slojí je jednou ze stěţejních otázek světové ekonomiky, neboť k výrobě ţeleza je stále potřeba černého uhlí. Důleţitou okolností, která můţe ovlivnit další rozvoj efektivní těţby, je její koncentrace. Půjde zejména o to, aby byly vytvořeny příznivé podmínky nasazení vysoce výkonných dobývacích komplexů v porubech navazující na kapacitní odtěţení na třídách. Jen vzájemná synchronizace těţebního procesu vytváří příznivé předpoklady vysokého efektu hlubinné těţby. Nemalý význam zaujímá v koncentraci těţby strojní zařízení. Jeho vývoj ve světě směřuje k postupnému zvyšování technických parametrů, ke stále vyšší automatizaci provozu a tím k dobývání uhelných slojí bez přítomnosti osádky.

8.1 Dopravní komplexy pro těţbu černého uhlí V této studii se budeme zabývat hlubinou těţbou černého uhlí. V těchto aplikacích se nejčastěji objeví buď kombajnové komplexy pro těţbu černého uhlí, nebo pluhové komplexy, které se vyuţívají pro niţší mocnosti sloje. U kombajnových komplexů (obr. 8.1), které se aplikují u mocností od cca 2m aţ v současnosti do 6m je dobývacím prostředkem kombajn. Tyto vysokokapacitní poruby s denní těţbou aţ 20 tis. tun za den i více jsou aplikovány zejména v Austrálii, USA, Číně a Rusku. Pro tyto podmínky musí být kombajny správně dimenzovány. U kombajnů je zejména kladen důraz na automatizaci. Průměry dobývacích fréz se pohybují v současnosti aţ 2m a šířka dobývacího prostředku kolem 800mm, tento rozměr samozřejmě úzce souvisí s délkou vysunutí přesouvacího válce na mechanizované výztuţi. Tyto dobývací prostředky pojíţdí po hřeblovém dopravníku, který musí být taktéţ správně dimenzován, zejména proto, aby odtěţil potřebné mnoţství rubaniny z dobývacího prostoru. V této oblasti se šířky dopravníků pohybují okolo 1000mm, s velikostí řetězu od průměru 42 aţ do průměru 52 u některých aplikací. Výkony elektromotorů jsou z hlediska potřebného vysokého výkony mnohdy předimenzovány, z důvodu obav zastavení porubu v plném provozu, nebo z obavy vypadnutí materiálu z pilíře. Nejen hledisko vysokého dopravního výkonu hraje roli při volbě elektromotru hřeblového dopravníku, ale také v neposlední řadě je to úklon porubu, a délka porubu. V současnosti je trendem výkon dopravníku 1200 kW na jednu poháněcí jednotku. Jednou z novinek je i napínací vratná stanice, která je řízena v závislosti na zatíţení elektromotoru. Spolu s kombajnem i hřeblovým dopravníkem musí spolupracovat i mechanizovaná výztuţ. Průměry stojek se pohybují 400mm. Návaznost na hřeblový dopravník má i dopravník sběrný, který musí být dimenzován s minimálně 20% navýšením výkonu oproti porubovému dopravníku. Vzhledem 154


Kapitola VIII. Kapitola I.

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

k délce dopravníku je výkon tohoto stroje od 200 do 400 kW. Tyto stroje se vyznačují automatickým dopínáním aplikované na poháněcím rámu pomocí hydraulických válců. Velikost řetězu je v závislosti na dosazeném výkonu poháněcí stanice průměru 34 nebo 38mm. Šířka dopravníku se většinou pohybuje kolem 1300mm. Pluhové komplexy jsou dobývací komplexy pro nízké sloje (obr. 8.2). Proto se také vyznačují niţšími výkony oproti kombajnovým komplexům a to zejména, protoţe je sloj niţší a také hloubka tzv. zabírky je niţší a není nutno mít hřeblový dopravník o tak vysokém výkonu. Pluhové komplexy rozdělujeme na dva typy, kluzný a závalový. Výhodou závalového pluhu je dobývání niţších mocností z hlediska lepšího nakládání na dopravník. Nespornou výhodou je manipulace s pluhovým řetězem, neboť pracovník se nepohybuje v nebezpečném prostoru. Z druhé strany je nutno vynaloţit daleko vyšší výkon pro hnací elektromotory pluhu z důvodu vyššího tření pluhového tělesa, které se pohybuje se spodní deskou po počvě. Dobývací rychlost závalového pluhu je cca 2 m/s. Oproti tomu pluh s kluzným vedením má daleko niţší odpory vynaloţené pro dobývací jízdu, lze vyuţít také vyšší rychlost pluhového tělesa (3m/s). Nevýhodou je vyšší nakládací výška a z toho vyplývající nutnost aplikovat zařízení pro vyšší sloje. Z tohoto důvodu se kluzný pluh hodí do geologicky těţších podmínek. O tom zda nasadit kluzný či závalový pluh rozhoduje mnoho aspektů, které nejsou předmětem této studie. Pro niţší mocnosti se objevují také kombajnové komplexy pro, ale to je zejména pro aplikace, kde jsou velmi špatné geologické podmínky, zejména bořivá počva apod. Pohony dopravníků se vyznačují výkony 400kW i více na jednu poháněcí jednotku většinou dvourychlostní, u pohonu pluhu je to v současnosti minimálně také 400kW. Většinou se volí stejné velikosti elektromotorů dopravníku i pluhu z hlediska zaměnitelnosti náhradních dílů. U sběrných dopravníků se taktéţ výkony elektromotorů pohybují 200 aţ 300 kW, ale dopravníky jsou s menší šířkou 800mm. Stálým trendem v oblasti dobývacích komplexů je nejen zvyšovaní zejména dopravního výkonu, ale také tzv. technické „finesy“, které zejména zvyšují bezpečnost. Zejména bezpečnost je jedním z nejdůleţitějších poţadavků na vysokokapacitní poruby.

155


Kapitola VIII. Kapitola I.

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

Obr. 8. 1. Kombajnový komplex.

Obr. 8. 2. Pluhový komplex

156


Kapitola VIII. Kapitola I.

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

8.2 Problematika hřeblových dopravníků Jednou z nejdůleţitějších otázek při navrhování hřeblových dopravníků je samozřejmě volba pohonu. Abychom navrhli správnou koncepci, musíme vědět do jakých podmínek je dopravník určen a jaké musí mít schopnosti (rozběh při vysokém zatíţení, vyrovnání výkonů pohonů apod.) Při znalosti všech těchto zadávacích parametrů, které je potřeba znát, je velmi důleţité, jak bude koncipován samotný pohon jednak v případě porubového dopravníku, dopravníku sběrného, ale také nesmíme zapomenout na pohon pluhu. Jak se říká, pohon je srdce dopravníku, a proto tento prvek musí být dimenzován s co největší pečlivostí. V dalších kapitolách se budeme věnovat nejnovějším poznatků z hlediska volby pohonu dopravníku porubového a pohonu pluhu.

8.3 Pohony porubových dopravníků V současnosti se u těchto dopravníků, zejména preferují dva typy pohonu. Pohon pomocí řízení CST od fy DBT dnes jiţ Bucyrus, nebo pohon pomocí hydraulické spojky s proměnou náplní preferovaný ostatními firmami (Joy, Ostroj, Longwall Associate, apod.). Jedním z řešení je také pouţití pohonu s frekvenčním měničem, které však v oblasti porubových dopravníků není aţ tak běţné proto se jím nebudu zabývat. Samozřejmě se stálé pouţívají v praxi klasické a osvědčené pohony např. pohon s pruţnou spojkou, nebo také pohon s hydraulickou spojkou s konstantní náplní, které se hojně vyuţívají u pohonů sběrných dopravníků. 8.3.1 Pohon s řízením CST

Obr. 8. 3. Skladba pohonu s řízením CST.

Na začátku bych rád uvedl, ţe tento druh pohonu se zejména pouţívá u porubových dopravníků, kde je nutné vyuţití maximálního záběrového momentu všech motorů pohonů dopravníku a další poţadavky kladené na pohon porubového dopravníku.

157


Kapitola VIII. Kapitola I.

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

Tento pohon od fy DBT dnes jiţ Bucyrus (obr. 8.1) je ve spojení motor, pruţná spojka a planetová převodovka s mokrou lamelovou třecí spojkou, umístěnou uvnitř převodovky a s elektronickým prokluzem řízení spojky CST (Controlled Start Transmission). Převodovky mají označení CST 30 (45, 65), kde hodnota za CST znamená hodnotu špičkového momentu na výstupu z převodovky. Tento pohon má velké výhody:  měkký a dobrý rozjezd  vyrovnání tahu  ochranu proti přetíţení  napnutí řetězu Pro vlastní napnutí řetězu se pouţívá hydraulické napínací zařízení, které je umístěno mezi motor a planetovou převodovku Popis funkce Asynchronní motor se rozběhne nezatíţený. Centrální kolo (obr. 8.4– (1)) je v záběru s planetovými koly (2), které pohánějí planetový věnec s lamelami spojky (4), které jsou v něm upevněny. Jakmile dojde válcem ke stlačení pohyblivých a pevných lamel spojky k sobě, přenáší se síla na výstupní hřídel (3), který je spojen s planetovým nosičem a výstupní hřídel se začíná otáčet. Planetový věnec (4) s pohyblivými lamelami je zabrzděn. Start jednotlivých motorů je odstupňován s vyuţitím časové prodlevy. To je zejména důleţité pro minimalizaci poklesu napětí v důlní síti. Krouticí moment je aplikován nejprve na řetězové kolo vratného pohonu tak, aby se odstranil veškerý stávající průhyb řetězu. Přítlak spojky se zvyšuje aţ do dosaţení poţadovaného záběrového momentu. Vzhledem k tomu, ţe řídící pohonné jednotky jsou připojeny k servoregulační síti (master-slave), je zaručeno, ţe všechny pohony stále běţí se stejnými náběhovými charakteristikami. Provozní prokluz je obvykle 0,2% a konstantní kluzné tření znamená, ţe spojka je provozována prakticky bez opotřebení. Současně lze ve stejný okamţik vyuţít plný záběrový moment všech motorů. To umoţňuje spuštění dopravníku i v případě jeho plného zatíţení. Přesného rozloţení zatíţení (obr. 8.3) mezi pohony se dosahuje díky neustálému měření spotřeby výkonu nebo proudu u všech pohonů a odpovídajícím nastavením prokluzu. To obsluze dopravníku umoţňuje neustálé plné vyuţívání instalovaného příkonu na úrovni nejvyšší účinnosti, čímţ se minimalizuje riziko přetíţení.

158


Kapitola VIII. Kapitola I.

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

Obr. 8. 4. Planetová převodovka s lamelovou spojkou [1].

Obr. 8. 5. Porovnání pohonů bez vyrovnání zátěţe s pohonem CST [1].

159


Kapitola VIII. Kapitola I.

8.3.2

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

Pohon s hydraulickou spojkou Voith s řízeným plněním

Obr. 8. 6.Hydraulická spojka Voith s řízeným plněním [2].

Obr. 8. 7. Skladba pohonu s hydraulickou spojkou Voith.

Popis funkce Princip činnosti hydraulické spojky je všeobecně známý. Spojka pro porubové hřeblové dopravníky pracuje s vodním pracovním médiem, z důvodu jednoduchosti pouţití v dole. Tyto spojky se pouţívají aţ do výkonu 1600 kW. Označují se DTPKWL2. Rozdíl proti „klasické“ hydraulické spojce je, ţe je spojka neustále plněna a vyprazdňována vodou. Velkou výhodou této spojky je, ţe spojka je zapojena do chladícího okruhu, a pokud teplota vody ve spojce dosáhne určité teploty, voda je automaticky vyměněna bez nutnosti zastavovat dopravník. Samozřejmostí jsou vysoké poţadavky na chladící vodu, z důvodu moţnosti zanesení spojky vodním kamenem a jinými nečistotami. Většinou se tato spojka pouţívá v uzavřeném vodním okruhu, kde ohřátá voda se vrací zpět do zásobníkové nádrţe, nebo u hydraulické spojky je zařazen chladič a voda se po opuštění spojky ochlazuje v tomto chladiči. Samozřejmě se spojka umisťuje mezi elektromotor a převodovku, kde je uchycena

160


Kapitola VIII. Kapitola I.

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

letmo v nosném krytu. Jednou z nejdůleţitějších součástí spojky je ventilový blok, který tzv. připouští a odpouští vodu ze spojky. Ventilový blok pracuje ve čtyřech reţimech – plnění, normální provoz, vyprazdňování a výměna vody. Při kaţdém novém startu porubového dopravníku přichází do spojky čistá chladná voda. Oba magnetické ventily spojky umístěné na ventilovém bloku jsou otevřeny. Po 20 sekundách je spojka naplněna. Ještě je nutno zmínit vysoký poţadavek na vodu, neboť tato spojka potřebuje průtok cca 300 l/min vody pro tento start, tedy po dobu 20sekund. Při normálním provozu potřebuje spojka průtok vody cca 30 l/min. V tomto případě je jen otevřen provozní ventil. Při vyprazdňování je otevřen vyprazdňovací ventil a zároveň je spojka plněna čerstvou vodou. Nevýhody CST pohonu oproti hydraulické spojce Voith s řízeným plněním  Není průsečík charakteristické křivky, u porubových dopravníků nutná kontrola momentu.  Problém „stick-slip“ se můţe vyskytnout (krátkodobé spojení lamel, přitom můţe vzniknout momentová špička a tím dojde ke kolísání tlaku ve spojce).  Opotřebení lamel.  Vysoké nároky na filtraci oleje.  Nutný speciální olej pro lamelovou spojku.  Potřebný vysoký tlak pro lamely, nutné řízení pomocí dlouhých hadic z důvodu master a slave pohonu, tím vysoké náklady na řízení spojky.  Nahromadění tepla v oleji a oceli – omezený počet startů.  Výměník tepla musí být dostatečně dimenzovaný.  Pomalá jízda je tepelně regulačně problematická.  3,5x vyšší náklady na provoz CST oproti hydraulické spojce.  Aţ 1,3x vyšší ztráty oproti hydraulické spojce.

8.4 Řešení pluhových pohonů V pluhových pohonech se stále zvyšují nároky na nárůst instalovaných příkonů, jak z hlediska délky porubu, tak z hlediska rychlosti pluhového zařízení. Tím se také zvyšují nároky na řízení těchto pohonů a také ochranu těchto pohonů před přetíţením. Během dlouhých let se vyspecifikovaly poţadavky na pluhový pohon:

161


Kapitola VIII. Kapitola I.

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

 Prodlouţená ţivotnost řetězu, řetězových kol,  maximální kroutící moment při rozjezdu pluhu,  plné vyuţití instalovaného příkonu bez přetíţení motorů,  ochrana před rázovým zatíţením řetězu a přetrţením řetězu v případě zablokování pluhového tělesa v pilíři,  ochrana před rázovým zatíţením pohonu pluhu,  spolehlivý systém řízení pohonů (rozběh, doběh, vyrovnání výkonů). V minulosti se pouţívaly pluhové pohony do sta kilowattů, ale v dnešní době jsou to uţ stovky kilowattů, nebo jde také o pohony pluhu v megawattech. Jak jiţ bylo výše uvedeno, stále se zvyšují nároky na řízení těchto pohonů, coţ se v dřívějších letech neřešilo. Z hlediska elektromotorů se pouţíval dvouotáčkový elektromotor pro pohon pluhu z důvodu přeloţení dopravníku těţivem. Uţ vůbec se neřešilo vyrovnání výkonů obou pohonů, coţ je velice důleţité z hlediska vyuţitelnosti obou pohonů pluhu. Jedním z hlavních článků pluhového pohonu je ochrana před rázovým zatíţením a přetrţením řetězu v případě zablokování pluhového tělesa v pilíři. Tento problém je většinou řešen prokluzovou lamelovou spojkou, která je umístěna buď přímo ve skříni převodovky, nebo tvoří spojovací článek mezi převodovkou a řetězovým kolem. Vzhledem k neustále rostoucím instalovaným příkonům se ochrana proti přetíţení stává do budoucna ještě důleţitější. 8.4.1 Skladba pohonu I (pohon fy DBT)

Obr. 8. 8. Skladba pohonu I (pohon fy DBT).

162


Kapitola VIII. Kapitola I.

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

V této skladbě pohonu (obr. 8.8) vidíme elektromotor spojen pruţnou spojkou s převodovkou od fy DBT. Převodovka S-15 LK (má na výstupní hřídeli mokrou lamelovou třecí spojku (obr. 8.9). Jak jiţ bylo výše řečeno lamelová spojka je „mokrá“. U mokrých spojek jsou daleko menší hodnoty koeficientu tření neţ u spojek suchých, ale za to se pomocí oleje dobře odvádí teplo vzniklé prokluzem lamel. Tento typ spojek se vyskytuje u většiny výrobců. Popis funkce Nastavitelný prokluzový moment se přenáší třecím stykem lamel spojky. Nastavuje se pomocí předepjatého svazku talířových pruţin. Talířové pruţiny (2) se předepnou podle polohy napínacího talíře (1). Výše předpětí přímo závisí na vzdálenosti mezi napínacím talířem a vnější částí hřídele náboje s hvězdicovými čepy (8). Tato vzdálenost je určována tloušťkou svazků distančních plechů. Síla pruţin působí přes klínový krouţek (5), hvězdicové čepy (8), hlavové segmenty (7) a klínové kotouče (6) na lamely spojky.

Obr. 8. 9. Lamelová spojka v převodovce [1].

163


Kapitola VIII. Kapitola I.

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

Velikost na jaké hodnoty se má lamelová spojka nastavit, závisí hlavně na instalovaném výkonu motoru a převodovém poměru pouţívané převodovky. Optimální nastavení spojky závisí do značné míry na podmínkách, které jsou na příslušném pracovišti (pevnost uhlí, poruchy atd.). Protoţe jsou tyto poměry zpravidla proměnlivé lze pouze uvést rozsah, v němţ se optimální nastavovací hodnota nachází. Změna nastavení taţné síly v řetězu Fmax (změna nastavení prokluzového momentu), kterou můţe lamelová spojka ještě přenášet, přímo závisí na síle, kterou působí napínací sada na lamely spojky.

8.4.2 Skladba pohonu II (pohon fy Ostroj)

Obr. 8. 10. Skladba pohonu I (pohon fa Ostroj).

Jedním z klasických uspořádání pohonu je pohon od fy Ostroj (obr. 8.10). Motor je spojen pruţnou spojkou s řaditelnou převodovkou, jejíţ vyšší převodový poměr se pouţívá pouze pro manipulaci s řetězem, dále klasická převodovka (pro výkon motoru 160 kW), která je na výstupním dutém hřídeli opatřena suchou lamelovou třecí spojkou (pro tah v řetězu do 500 kN) přitlačovanou pruţinami (obr. 8.11). Toto zařízení chrání pluhový pohon proti rázovým přetíţením řetězu a zablokování pluhového tělesa. Popis funkce Nastavení momentu na prokluzové spojce se děje pomocí nastavení délky patron pruţin, kterou lze po sejmutí krytu spojky seřídit na poţadovaný prokluzový moment. Seřízení prokluzové spojky je velice citlivé na přesné nastavení délky jednotlivých patron. Při změně délky patron o 1 mm dostáváme sílu v řetězu o 7 kN vyšší či niţší a prokluzový moment se pohybuje v určitém rozmezí, daném nepřesností seřízení. Rovněţ se musí počítat s tím, ţe kaţdá patrona s pruţinou má svou vlastní charakteristiku, která se u jednotlivých pruţin v soustavě liší a navíc, nastavíme-li na kaţdé patroně jinou délku, nedostaneme rovnoměrně rozloţený tlak na

164


Kapitola VIII. Kapitola I.

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

lamely spojky. I přes výše uvedené „nevýhody“ nedestrukční lamelové spojky se pohon s takovou skladbou v provozu osvědčil.

Obr. 8. 11. Převodovka fa Ostroj s nedestrukční lamelovou spojkou s nastavením pruţin [3].

8.4.3 Skladba pohonu III (pohon fy Halbach & Braun)

Obr. 8. 12. Skladba pohonu V (pohon fa Halbach & Braun).

V další skladbě pohonu opět vidíme klasické uspořádání (obr. 8.12) elektromotor, spojka, převodovka a nedestrukční lamelová spojka, která je umístěna mezi převodovkou a řetězovým kolem. Popis funkce Lamelová spojka fa Halbach & Braun má stejný princip přenosu energie jako výše uvedené spojky. Je ponořena v oleji, tudíţ „mokrá“ a je ovládána hydraulicky. Součástí lamelové spojky je i řetězové kolo. Vše je jako celek vsazeno do rámu pohonu pluhu. Výrobce této spojky udává minimální sílu na spojce, kterou představuje: Fmin vyp  M max  k  i ps  1 R [N] 165


Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Kapitola VIII. Kapitola I.

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

Minimální síla na spojce Fminvyp je přímo úměrná maximálnímu momentu motoru Mmax, dále koeficientu bezpečnost k, skutečnému převodovému poměru ips a poloměru roztečného průměru řetězového kola 1/R. Maximální síla, na kterou lze nastavit spojku, je dána zkušebním zatíţením řetězu sníţenou o bezpečnost nebo maximálně přípustným moment na výstupu z převodovky.

Obr. 8. 13. Lamelová spojka fa Halbach& Braun a oblast nastavení lamelové spojky [4].

8.4.4 Skladba pohonu IV (pohon fa Westfalia Becorit)

Obr. 8. 14. Skladba pohonu II (fy Westfalia Becorit) [5].

166


Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Kapitola VIII. Kapitola I.

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

Poháněcí soustavy fy Westfalia Becorit typu LA (vyrovnání zatíţení) a typu ÜL (zabezpečení proti přetrţení) chrání pohon (obr. 8.14) před provozními podmínkami. Oběhová rozdílová převodovka (LA) umoţňuje rovnoměrné zatíţení asynchronních motorů. Vyrovnávání zatíţení LA – popis funkce Převodovka pro vyrovnání zatíţení LA je oběhová rozdílová převodovka. Má převodový poměr 1:1 a můţe být upevněna přírubově na všech normalizovaných důlních převodovkách typových řad 10, 15, 20 a 25 ze strany motoru. Pomocný elektromotor je přes ozubení spojený soustavou ozubených kol. Pomocí třmenu dojde ke změně převodového poměru 1:1 maximálně o 3%, tzn. i=0,97 do i=1,03. Odběr proudu asynchronními motory obou pohonů je porovnáván, přičemţ motor pomocného pohonu mění odpovídajícím způsobem otáčením vlevo nebo vpravo poměr převodu převodovky LA, a tím způsobem aktivně přizpůsobuje vzájemný odběr proudu (zatíţení či odběr výkonu) obou motorů. Přednosti oběhové rozdílové převodovky LA: Vyrovnávání zatíţení LA stačí pouţít jen na jednom pohonu (pomocná převodovka je nainstalována jen na jednom z obou pohonů hlavním nebo pomocném)  moţnost volby velikosti pohonů (výkonů) a velikosti řetězů  optimální vyuţití instalovaného výkonu  sníţení tepelného zatíţení asynchronních motorů  rovnoměrné zatíţení řetězů a pohonů Konstrukce Převodovku s vyrovnáním zatíţení je moţné sestavit jako normalizovanou důlní převodovku, skládající se z:  oběhové převodovky  pomocného elektrického motoru  hydraulické prokluzové spojky  elektronického systému řízení Jestliţe se liší rychlost řetězu při obíhání přes řetězová na pohonu hlavním a pomocném, tak se také liší počty otáček a odběr výkonu pohonů (obr. 8.15). Elektronický systém řízení na to

167


Kapitola VIII. Kapitola I.

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

zareaguje a zapíná pomocný motor na převodovce, vyrovnává zatíţení ve směru otáčení odpovídajícímu zvětšení či zmenšení zatíţení aţ do vyrovnaného zatíţení obou pohonů.

Obr. 8. 15. Zabezpečení pro vyrovnání zatíţení [5].

Zabezpečení proti přetíţení ÜL – popis funkce V provozních podmínkách vznikají v pluhování různé dynamické síly. Tyto síly mohou například při zablokování pluhového tělesa mnohokrát převýšit hodnotu, na kterou je dimenzován pohon pluhu. Z tohoto důvodu je ochrana proti přetíţení zvlášť důleţitá, neboť tyto síly mohou být pro podsestavy pohonu a pluhový řetěz limitujícím stavem. Zabezpečení ÜL musí zjišťovat přetíţení a okamţitě reagovat na vzniklou situaci. U převodovek fa Westfalia se ochrana proti přetíţení nachází uvnitř převodovky na výstupním hřídeli. Odpojovací moment spojky je moţno libovolně volit a nastavovat. Po jeho překročení je přenos energie a zatíţení přerušen. Konstrukce a činnost: Ochrana proti přetíţení ÜL je součástí převodovky a skládá se:  vypínatelné lamelové spojky  hydraulického systému řízení  snímače krouticího momentu  elektronické soustavy Pruţiny stlačují lamelovou spojku. Spojka je rozpojována hydraulicky, při čemţ následuje přerušení přenosu energie na výstupním hřídeli převodovky. Řízení je zabezpečováno pomocí elektromagnetického ventilu. Hydraulická kapalina je do spojky přiváděna otočným vstupem.

168


Kapitola VIII. Kapitola I.

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

Elektronická soustava snímá krouticí moment, který je měřen na výstupní hřídeli převodovky. Ventily hlavního a pomocného pohonu dostanou impuls k rozpojení lamelových spojek po překročení nastaveného krouticího momentu na spojce. Hydraulický ventil rozpojuje lamelovou spojku a v průběhu 25 milisekund nastupuje přerušení přenosu energie. Brání to přetíţení řetězu a podsestav pohonu a to i v případě velmi krátké doby trvání zablokování.

8.4.5 Skladba pohonu V (pohon fy DORSTENER)

Obr. 8. 16. Skladba pohonu III (pohon fy Dorstener).

Motor s převodovkou je opět spojen pruţnou spojkou. V této části je navíc umístěno hydraulické napínání pro vytvoření dostatečného předpětí v taţném řetězu. Planetová převodovka je s integrovanou lamelovou spojkou na výstupu. Cílem převodovky v kaţdodenním provozu je optimální vyuţití instalovaného výkonu elektromotoru. Převodovka fy DORSTENER má tyto funkce:  Ochrana proti přetíţení,  vyrovnání výkonu mezi hlavním a pomocným pohonem,  definovaný rozjezd jako nezatíţený rozběh a těţký rozběh řetězových dopravníků. Zejména pro vyuţití u pluhových pohonů je nejdůleţitější funkce ochrany proti přetíţení. Popis funkce Lamelová spojka se zavírá hydraulicky a drţí korunové kolo vstupního planetového stupně. V případě přetíţení spojka proklouzne a korunové kolo se pohne. Na korunovém kole jsou umístěny spínací praporky, nad nimiţ se nacházejí dva redundantně zapojené indukční přibliţovací spínače jako snímače prokluzu. V případě zjištění prokluzu vypnou motory a pohon je chráněn před špičkovým zatíţením. Pro spolehlivé přenášení maximálního přípustného momentu převodovky se ve spojce vytvoří definovaný tlak. Tento tlak je závislý na velikosti převodovky, převodu a hnacích motorech.

169


Kapitola VIII. Kapitola I.

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

Hydraulické zařízení se v podstatě skládá z čerpadla, akumulátorové patrony a elektronické kontroly tlaku soustavy. Akumulátorová patrona má v soustavě vyrovnávat nepatrné ztráty prosakováním a kompenzovat rozpínání působením tepla. Převodovka je připravena k provozu po vytvoření tlaku v prostoru válce spojky. Tento tlak načítá řídící počítač. Pokud je ve válci spojky příliš nízký tlak, nelze zapnout motory. Pokud tlak klesne během provozu, motory se vypnou. U pluhů rozlišujeme dva druhy blokování tzv. tvrdé a měkké. U tvrdého blokování dochází při prudkém nárazu pluhového tělesa do nějaké překáţky. V tomto případě musí být pohon okamţitě odpojen. V případě měkkého blokování dochází k velmi malému prokluzování spojky. Pokud toto prokluzování trvá po dobu více, neţ 10 vteřin, je pohon také automaticky odpojen (viz. obr. 8.17).

Obr. 8. 17. Převodovka fy Dorstener [6].

Obr. 8. 18. Tvrdé a měkké blokování [6].

170


Kapitola VIII. Kapitola I.

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

Pro pluhy přináší systém od fy Dorstener následující výhody oproti konvenčním systémům pohonu:  Ochrana proti přetíţení s automatickým nastavením pro tvrdé a měkké blokování  Vysoká dostupnost, jelikoţ vypnutí při přetíţení probíhá během několika sekund  Chrání elektromotory při měkkém blokování ve spojení s řízením převodovky  Optimální ochrana řetězu při krátkém blokování  Konstantní rozpínací moment pomocí jednorázového hydraulického nastavení  Prodlouţení ţivotnosti dobývacího zařízení  Nenáročný provoz  Integrovaný polohoměr pluhu  Modulární planetová a kuţeločelní planetová převodovka s integrovanou řízenou spojkou  Kompletní elektronika a hydraulika k řízení a regulaci

Závěr Jedním z hlavních poţadavků provozovatelů je neustálé zvyšování výkonů elektromotorů nejenom pluhové soupravy ale i hřeblového dopravníku. Se zvyšováním výkonů motorů je nutné také řešit vyrovnání výkonů všech pohonů a rovněţ ochranu taţných řetězů a pohonů před špičkovým zatíţením. Jedním z pohonů, který zde nebyl uváděn, je pohon, který je řízen frekvenčním měničem. Lze řídit jak rozjezd, tak dojezd pluhového tělesa po zadané křivce. Vyrovnání výkonů mezi pohony. Jednou z věcí, která nelze do tohoto pohonu integrovat je ochrana proti přetíţení, jeţ by se musela realizovat speciální převodovkou nebo spojkou. Hlavní výhodou pohonů s frekvenčním měničem je vyrovnání výkonů obou motorů, coţ je jedno z nejdůleţitějších hledisek. Elektromotor s integrovaným frekvenčním měničem či motor ovládaný frekvenčním měničem lze také pouţít u předchozí skladby pohonu nebo u jakékoliv skladby pohonu, kde potřebujeme parametry pohonů ovládat. Toto řešení vyrovnání výkonů je jedno z nejjednodušších. S pouţitím frekvenčního měniče lze nejenom řídit vyrovnání výkonů  3%, ale je to v podstatě 0 – 100%. Další výhodou je obrovská nezávislost frekvenčního měniče na typu elektromotoru – v podstatě lze pouţít jakýkoliv elektromotor (musí být samozřejmě na to připraven).

171


Kapitola VIII. Kapitola I.

Důlní doprava a aspekty důlní dopravy Dopravní a liniové stavby

Autor: Ing. Petr Bortlík, Ph.D. Autor: Ing.

Reference [1]

Prospekt fy DBT, www.bucyrus.com

[2]

Prospekt fy Voith, www.voith.cz

[3]

Prospekt fy Ostroj, www.ostroj.cz

[4]

Prospekt fy Halbach&Braun, www.halbach-braun.de

[5]

Prospekt fy Westfalia-Becorit

[6]

Prospekt fy Dorstener, www.zollern.de

172


: Ing.

Garant:

Aleš Slíva

Název:

Dopravní a manipulační technika

Místo, rok vydání:

Brno, 2010

Počet stran:

172

Vydalo:

AKADEMICKÉ NAKLADATELSTVÍ CERM, s. r. o. Brno

Tisk:

FINAL TISK s. r. o. Olomučany

Náklad:

25 ks

Vydání:

první

Neprodejné

ISBN 978-80-7204-712-3

FS3  

Dopravní a manipulační technika Nové trendy a technologie INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Garant: doc. Ing. Aleš Slíva, Ph.D. e-mail: ales.s...

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you