Auswahl des Riemenscheibenbelags und Leistungsoptimierung
Abstrakt
Bei Bandförderanlagen ist der Trommelbelag die Quelle der notwendigen Reibung für die Kraftübertragung. Die ständige Notwendigkeit, Schüttgüter mit höheren Geschwindigkeiten über längere Distanzen zu transportieren, hat dazu geführt, dass mehr Leistung über die Antriebstrommel übertragen werden muss. Trotz dieser Änderungen verwenden die Konstruktionsnormen für Förderanlagen (ISO5048, DIN22101, CEMA) weiterhin das stark vereinfachte Seilreibungsmodell (Euler-Gleichung), um die Grenzen der Kraftübertragung zu bestimmen. Die wichtigste und wohlbekannte Einschränkung dieses Modells liegt in der Annahme eines konstanten Reibungskoeffizienten um die vollständig entwickelte Belagoberfläche herum. Neuere Forschungen haben gezeigt, dass die Reibung zwischen dem Belag und der Bandunterseite je nach Faktoren wie Umschlingungsdruck und Geschwindigkeit variiert, was zu einer falschen Darstellung des Verhaltens in der Zwischenphase und infolgedessen zu einer unzureichenden Konstruktion des Bandfördersystems führt.
Riemenscheibenbeläge wurden bisher als Verbrauchsmaterial behandelt und bei Verschleiß oder Beschädigung ausgetauscht. Es gibt keine standardisierte Methode zur Auswahl eines geeigneten Belags. Die Auswahl des Belags basiert in der Regel auf bewährten Verfahren der Branche oder früheren Erfahrungen. In Verbindung mit der Anforderung einer erhöhten Leistungsübertragung führt dies zu ungeplanten Belagsausfällen, längeren Anlagenstillstandszeiten und Produktionsausfällen.
In diesem Dokument wird die Entwicklung eines Softwaretools vorgestellt, das eine detaillierte technische Analyse für die Auswahl und Leistung von Isoliermaterial bietet. Dieses Tool berechnet den Normaldruck, die Scherspannung, die entwickelte Reibung und das Vorhandensein von lokalem Riemenschlupf (falls vorhanden) an jedem Punkt der Riemenwicklung. Das Tool berechnet auch die an verschiedenen Stellen innerhalb des Isoliermaterials erzeugten Spannungen und vergleicht die erzeugten Spannungen mit den Ermüdungsgrenzen des Isoliermaterials an verschiedenen Stellen. Durch das Verständnis der angewandten Belastungen und Einschränkungen jedes Isoliermaterialtyps wird die Auswahl zu einer „technischen“ Entscheidung, wodurch Ausfälle und Ausfallzeiten minimiert werden.
1. Einleitung
Ein Bandförderer wird durch die Reibungskraft zwischen Antriebsscheibe und Band angetrieben. Die Bandspannung sorgt für die erforderliche Normalkraft zur Erzeugung einer ausreichenden Reibungskraft. Die Spannung des Bandes auf der straffen Seite (T1) ist typischerweise last- und widerstandsabhängig, während die Spannung der lockeren Seite (T2) durch ein Spannsystem aufrechterhalten wird, um Schlupf am Antrieb zu vermeiden [1, 2]. Die Differenz zwischen diesen beiden Spannungen (T1-T2) wird als effektive Spannung (Te) bezeichnet und ist die Größe der Kraft, die zum Antrieb des Bandförderers erforderlich ist [1]. Diese Kraft wird durch die Antriebsscheibe erzeugt und durch den Belag in Form einer Reibungskraft zwischen dem Belag und der Bandunterseite auf das Band übertragen.
Fortschrittliche Werkstofftechnologie führt zu leichteren Riemen, die ähnliche Spannungen und hohe Umdrehungen pro Minute bewältigen können. Leichtere Riemen gestatten kleine Riemenscheibendurchmesser bei gleichem Spannungsbedarf an der Antriebswelle [3]. Wenn nicht genügend Reibungskraft erzeugt werden kann, um den Wert von Te zu erreichen, kommt es im Antriebssystem zu Schlupf. Um den Schlupf im System zu stoppen, können verschiedene Methoden angewendet werden. Einige der Methoden können die Verwendung spezieller Beläge, die Vergrößerung des Umschlingungswinkels durch Verwendung einer Einschnürungsscheibe, die Anpassung der effektiven Spannung und die Veränderung der Riemenscheibengröße sein [1, 4]. Die maximal verfügbare Reibungskraft auf der Antriebsscheibe entscheidet über die Produktionsleistung des Fördersystems. Daher werden die Reibungseigenschaften des Belags bei der Festlegung der Förderbandkonstruktionsparameter äußerst wichtig [5].
Beim Betrieb eines Bandförderers steht die Riemenscheibe ständig unter dynamischer Belastung und alle Komponenten der Riemenscheibe werden aufgrund dieser Belastung zyklischen Belastungen ausgesetzt; dies führt zur Ermüdung der Riemenscheibenkomponenten [3]. Die Ermüdungslebensdauer ist definiert als die Anzahl der Belastungs- oder Spannungszyklen, die eine Komponente aushalten kann, bevor sie versagt [6]. Wenn eine Komponente innerhalb von zehn Millionen Zyklen keinen Ausfall zeigt, kann davon ausgegangen werden, dass die Komponente für eine unendliche Anzahl von Zyklen sicher ist oder ihre empfohlene Lebensdauer erreicht [6]. Die Ermüdungslebensdauer einer Komponente kann auch als die Lebensdauer der Komponente verstanden werden, in der ein Riss entsteht und sich ausbreitet. Die Ermüdungslebensdauer hängt von der Stärke der Belastung ab und es ist bekannt, dass zur Rissbildung eine höhere Belastungsstärke erforderlich ist als zur Rissausbreitung [6]. Wenn eine Komponente also unterhalb der rissauslösenden Belastungsstärke betrieben wird, kann davon ausgegangen werden, dass sie für eine unendliche Anzahl von Zyklen betrieben wird. Die gleichen Prinzipien der Ermüdungslebensdauer gelten für Riemenscheibenbeläge.
An den Antriebs- und Nichtantriebs-Hochspannungs-Biegescheiben wurden wiederholte Ausfälle der Riemenscheibenbeläge beobachtet. Einige häufige Beobachtungen waren das Ablösen des Belags von der Riemenscheibenschale (siehe Abbildung 1). Verschleiß der Riemenabdeckung (siehe Abbildung 2) und Ermüdungsversagen des Belags (siehe Abbildung 3). Ein ungeplanter Austausch des Belags aufgrund eines Defekts kann zu erheblichen finanziellen Produktionsverlusten und Riemenschäden führen.
Die beiden Hauptgründe für diese Misserfolge sind folgende Wissenslücken:
- Der tatsächliche Reibungskoeffizient (CoF) zwischen Band und Belag um die Trommelumschlingung ist noch unbekannt. Der für die Konstruktion der Bandförderer berücksichtigte CoF-Wert ist konstant und meist konservativ. Weder sind die Faktoren, die den Reibungskoeffizienten beeinflussen, genau definiert, noch ist ihr Einfluss quantifiziert.
- Die Ermüdungsgrenzen des Isoliermaterials und des Verbindungssystems sind nicht bekannt. Außerdem gibt es keinen Mechanismus, um die während der Anwendung in einem Isoliermaterial erzeugte Ermüdung den Ermüdungsgrenzen des Isoliermaterials an den verschiedenen Stellen gegenüberzustellen.
2.1 Reibungsprüfung
Es ist bekannt, dass der Reibungskoeffizient um die Umschlingung der Riemenscheibe herum nicht konstant ist und nicht dem klassischen Reibungsverhalten folgt, das als Variantenreibungsmodell bezeichnet wird [5]. Faktoren wie unterschiedliche Riemen- und Belagkombinationen, Normaldruck (abhängig von T1 und T2), Umgebungstemperatur und Geschwindigkeit beeinflussen den Reibungskoeffizienten ebenfalls. Daher ist der Reibungskoeffizient zwischen einem Riemen und Belag ein komplexer Parameter, der definiert werden muss, und seine Beziehung zu verschiedenen Faktoren, die den Reibungskoeffizienten beeinflussen, ist ebenfalls unbekannt.
Die Reibungsversuche an Elastotecs Gummi- und Keramikbelägen mit Riemenproben der Güteklasse M/Global X wurden in der Forschungseinrichtung der University of Newcastle durchgeführt, um den Reibungskoeffizienten zwischen der Riemenunterseite und dem Belag zu ermitteln. Die vorläufigen Ergebnisse der Reibungsversuche sind in den Abbildungen 4 und 5 dargestellt. Das Gerät misst die Reibungskraft mit der Verschiebung der Riemenprobe, die gegen die Belagprobe gedrückt wird. Um die Reibungskraft mit der Verschiebung zu messen, wurden fünf verschiedene Flächendrücke angewendet. Die Normalkraft wird berechnet, indem der Flächendruck mit der Fläche der Belagprobe multipliziert wird, die mit dem Riemen in Kontakt steht. Die Reibungskraft wird durch die Normalkraft geteilt, um den Reibungskoeffizienten zu berechnen. Die Abbildungen 4 und 5 legen unterschiedliche Reibungskoeffizienten für unterschiedliche Normalkräfte und Verschiebungen nahe. Die Reibungskoeffizientenwerte steigen mit der Verschiebung und steigen weiter an, nachdem ein lokaler Schlupf einsetzt (visuelle Beobachtung) und einen Maximalwert erreicht hat. Dieses Verhalten des Reibungskoeffizienten verstößt gegen die klassische Reibungstheorie. Der Wert des Reibungskoeffizienten bleibt nach einer bestimmten Verschiebung nahezu konstant. Der Wert des Reibungskoeffizienten war bei geringerem Flächendruck höher.
In diesem Dokument werden die Reibungsexperimente nicht im Detail beschrieben, sondern es werden lediglich vorläufige Reibungsergebnisse für natürliche und mittlere Keramikbeläge vorgestellt. Zu Reibungstests wird ein separates Dokument vorgelegt.
Diese Reibungswerte werden im Softwaretool verwendet, um den örtlichen Schlupf zwischen Riemen und Belag als Funktion des Normaldrucks und der Kontaktscherspannung abzuschätzen.
2.2 Dauerfestigkeit
Durch die Kombination von Normaldruck und Kontaktscherspannung entsteht im Riemenscheibenbelag eine innere Scherspannung, die von der Konstruktion des Belags, insbesondere von den Materialeigenschaften und der Geometrie, abhängt.
Um die Leistung des Riemenscheibenbelagsdesigns unter variierendem Normaldruck und Oberflächenscherspannung zu quantifizieren, wird die Finite-Elemente-Analyse (FEA) verwendet, um den Betriebsbereich zu definieren, der die gewählten Designkriterien erfüllt. Die FEA-Methode prognostizierte die entwickelte Scherspannung:
- Innen in der Riemenscheibe Gummibelag
- An der Schnittstelle mit der Riemenscheibe Stahlschale, Keramikfliesen Schnittstelle (falls zutreffend) und
- An der Kontaktschnittstelle zum Förderband.
Die Ermüdungslebensdauer des Gummiisolierungsgummis kann als Funktion der Gummischerspannung quantifiziert werden. Conveyor Dynamics hat eine phänomenologische Beziehung zwischen Gummischerspannung und Ermüdungslebensdauer entwickelt, die auf einer Bibliothek von Testdaten basiert. Auf der Grundlage einer typischen Förderbandtrommeldrehzahl von 60 U/min und einer Mindestermüdungslebensdauer des Gummis von 5 Betriebsjahren bei 90 % Auslastung wird geschätzt, dass die Trommelisolierung etwa 1.4 × 10^8 Zyklen ausgesetzt sein wird. Die entwickelte Beziehung wurde angewendet, um die maximal zulässige Gummischerspannung zu bestimmen, um die erforderliche Ermüdungslebensdauer von 5 Jahren zu erreichen. Es wird angenommen, dass die maximal zulässige Scherspannung an der Schnittstelle zwischen dem Gummiisolierungsgummi und sowohl der Trommelstahlschale als auch den Keramikfliesen (sofern zutreffend) ähnlich ist, da die volle Bindungsfestigkeit erreicht wird. Diese maximal zulässigen Scherspannungswerte werden im Softwaretool verwendet, um den sicheren Anwendungsbereich für jedes Isolierprodukt abzubilden.
2.3 Lagging Select – Tool zur Leistungsoptimierung
Elastotec Australia hat in Zusammenarbeit mit Conveyor Dynamics Inc. (CDI) ein neuartiges Analysetool für Beläge namens „Lagging Select“ entwickelt, um die komplexe Interaktion zwischen dem Riemen und dem Riemenscheibenbelag sowohl für Antriebs- als auch für Nicht-Antriebsanwendungen zu quantifizieren.
Das Tool bietet zwei Ausgabesätze in grafischer und statistischer Form. Die erste grafische Ausgabe des Tools bestimmt die Wahrscheinlichkeit und das Ausmaß von lokalem Schlupf zwischen Riemen und Belag. Es prognostiziert lokalen Schlupf, indem es die maximal verfügbare Traktion um die Riemenscheibenumschlingung auswertet, indem es die Ergebnisse der unterschiedlichen Reibung nutzt, wie in Abschnitt 2.1 erläutert, und diese maximal verfügbare Traktion mit der entwickelten Traktion vergleicht, indem es Förderband-Konstruktionsparameter verwendet. Wenn die entwickelte Traktion oder der Traktionsbedarf die maximal verfügbare Traktion überschreitet, wird lokaler Schlupf prognostiziert. Das Tool prognostiziert lokalen Schlupf separat für trockene und nasse/schmutzige Umgebungsbedingungen. Die erste statistische Ausgabe liefert den Wert der maximalen Scherspannung, die im Belag entwickelt wird, und den minimal erforderlichen Wert von T2, um ihn zu eliminieren.
In Abbildung 6, der ersten Ausgabe des Tools, stellen die gepunkteten roten und grünen Linien die Traktionsgrenzen bei trockenen bzw. nassen/schmutzigen Umgebungsbedingungen dar, jeweils unter Verwendung des Variantenreibungsmodells. Die durchgezogene rote Linie stellt die entwickelte Traktion bzw. den Traktionsbedarf dar. Da diese Grafik für trockene Umgebungsbedingungen gilt, ist vor dem Umschlingungswinkel von 187° die geforderte Traktion geringer als die maximal verfügbare Traktion, und folglich ist kein lokaler Schlupf zu erwarten. Wenn die Anwendung den Umschlingungswinkel von 187° überschreitet, übersteigt der Traktionsbedarf den maximal verfügbaren Wert, und es ist mit lokalem Schlupf zu rechnen.
Die zweite Ausgabe des Tools, dargestellt in Abbildung 8, definiert die Ermüdungsgrenzen gegenüber durchschnittlicher Scherspannung und Normaldruck, der auf den Belag ausgeübt wird. Abbildung 7 zeigt die Position der gleichen Ermüdungsgrenzlinien auf dem Belag. Es werden vier verschiedene Arten von Ermüdungsgrenzlinien erzeugt – Kontaktflächengrenze (Ermüdungsgrenze an der Oberfläche des Belags, die mit dem Riemen in Kontakt steht), Laufflächenwurzelgrenze (Ermüdungsgrenze an der Basis des Belagprofils, auf Höhe der Rillen/Lamellen des Belags), Riemenscheibenmantelgrenze (Ermüdungsgrenze der Bindung zwischen Belag und Riemenscheibenmantel) und Fliesenhaftungsgrenze (Ermüdungsgrenze der Bindung zwischen Fliese und Gummi), wie in den Abbildungen 7 und 8 dargestellt. Die Fliesenhaftungsgrenze ist nur bei keramischem Belag anwendbar.
Abbildung 7 Ermüdungsgrenzstellen an der Belagsoberfläche
Das Tool berechnet den Normaldruck und die Scherspannung bei jedem Umschlingungswinkel der Anwendung basierend auf den Konstruktionsparametern des Bandförderers und zeichnet die Anwendungslinie auf. Wenn die Anwendungslinie im Diagramm außerhalb der Ermüdungsgrenzen liegt, ist dies ein Hinweis darauf, dass die Anwendung nicht geeignet ist und die Gefahr eines vorzeitigen Ausfalls besteht. Daher sollte die Anwendungslinie immer innerhalb der Ermüdungsgrenzlinien oder mit anderen Worten innerhalb des sicheren Betriebsbereichs liegen.
In Abbildung 8 stellen die durchgezogenen orangefarbenen, blauen und gelben Linien die Ermüdungsgrenzlinien für Laufflächenwurzel, Kontaktfläche und Riemenscheibenschale dar. Die farbigen gepunkteten Linien sind in Abbildung 7 dargestellt, um die Positionen dieser Ermüdungsgrenzen auf der Isolierung zu veranschaulichen. Abbildung 8 ist ein Beispieldiagramm für eine Rautenisolierung; daher ist die Ermüdungsgrenzlinie für Fliesenverbände in diesem Diagramm nicht dargestellt. In Abbildung 8 ist die Sicherheitszone durch die Farbe Grün hervorgehoben, und die Anwendung liegt außerhalb des Sicherheitsbereichs, da sie die Ermüdungsgrenzlinie der Laufflächenwurzel überschreitet. Dies weist darauf hin, dass die Isolierung im Bereich der Laufflächenwurzel voraussichtlich vorzeitig versagen wird.
Fallstudie
Einer der Kunden von Elastotec hatte im Jahr 2021 mit einem Ausfall der Riemenscheibenbeläge zu kämpfen. Der Kunde ist in Australien ansässig und das Förderband ist in einem Goldminenbetrieb im Einsatz. Der Kunde hat das Förderbanddesign modernisiert, um die Produktionsleistung von 4600 TPH auf 5150 TPH zu steigern. Für diese Modernisierung wurde die Riemenspezifikation aufgrund der höheren Riemenspannungen von ST-5600 auf ST-6300 geändert.
Zu diesem Zeitpunkt stand keine technische Analyse zur Verfügung, um die Auswahl der Beläge hinsichtlich der Ermüdungslebensdauer zu überprüfen. Aufgrund früherer Erfahrungen ging der Kunde davon aus, dass derselbe Belag, der vor der Modernisierung verwendet wurde, den verbesserten Spezifikationen gerecht werden würde. Daher wurde derselbe Belag mit den verbesserten Förderbandspezifikationen verwendet.
Innerhalb von vier Wochen nach dem Betrieb des Förderbands kam es zu einem katastrophalen Ausfall der Trommelbeläge. Es handelte sich um ein Förderbandsystem mit Doppelantrieb, und es kam zu Ausfällen an beiden Antriebstrommeln. Abbildungen 9 und 10 zeigen die Ausfälle, die an beiden Antriebstrommelbelägen auftraten.
Der Kunde kontaktierte Elastotec, um die Grundursache des Fehlers zu ermitteln. Elastotec führte eine Analyse durch, um festzustellen, ob die Wahrscheinlichkeit eines Schlupfs zwischen Band und Belag besteht, der den Fehler verursacht haben könnte. Bei dieser Förderbandkonstruktion wurde kein Schlupfproblem festgestellt.
Elastotec und Conveyor Dynamics starteten ein Projekt zur Analyse der Grundursache dieses Ausfalls und fanden heraus, dass der Grund für diesen Ausfall übermäßige Spannungen im Belag waren, die die Ermüdungsgrenze an der Laufflächenwurzel überschritten. In Abbildung 9 ist zu sehen, dass der Belag an der Laufflächenwurzel beschädigt war. Das aktuelle Lagging Select-Tool wurde auf Grundlage der in dieser Fallstudie erarbeiteten Analysemethodik entwickelt. Die Analyse hat nicht nur die Grundursache des Ausfalls identifiziert, sondern auch den am besten geeigneten Belag für die verbesserten Förderbandkonstruktionsparameter vorgeschlagen. Abbildung 10 und 11 zeigen den Belagsausfall und die entsprechende Hüllkurve, und Abbildung 12 und 13 zeigen den Belag im gerillten Fischgrätenmuster und seine Hüllkurve.
Aus dem Leistungsbereich von Abbildung 11 geht klar hervor, dass die defekte Isolierung außerhalb der Sicherheitszone betrieben wurde und die Anwendung die Ermüdungsgrenze der Laufflächenwurzel überschreitet, sodass die Isolierung an der Laufflächenwurzel versagt hat. Bei der Isolierung mit Fischgrätenmuster hingegen ist der Leistungsbereich deutlich größer, und daher begann die Isolierung größtenteils oder sehr nahe innerhalb der Sicherheitszone zu arbeiten. Das Förderband ist seit Oktober 2021 mit dem Fischgrätenmuster-Design in Betrieb, ohne dass es Anzeichen für eine Beschädigung der Isolierung gab.
Abbildung 11 Leistungsbereich für fehlgeschlagene Verzögerung
Das Lagging Select-Tool wurde zur Validierung der Analyse auf viele verschiedene vorhandene Bandförderkonstruktionen unter verschiedenen Bedingungen angewendet. Das Tool hat immer Probleme vorhergesagt, die bei vorhandenen Belagfehlern festgestellt wurden, und Empfehlungen für einen geeigneten Ersatz des Belags gegeben. Das Tool wird weiterhin aktualisiert, um den Einfluss verschiedener Variablen wie Temperatur und Belag-Band-Kombinationen zu berücksichtigen und zusätzliche Konstruktionsmerkmale wie solide gewebte Bänder usw. einzubeziehen. Eine webbasierte Online-Version des Tools wird ebenfalls entwickelt und wird bis Ende dieses Jahres verfügbar sein.
Fazit
Teilweises Wissen über den Reibungskoeffizienten zwischen Belag und Band führt häufig zu einer konservativen Auslegung des Bandförderers. Eine schlechte Auswahl des Trommelbelags birgt das Risiko eines Belagsversagens und damit eines Produktionsausfalls und sogar einer Beschädigung des Förderbands. Es wurde ein Softwaretool entwickelt, um den Normaldruck, die Scherspannung und den örtlichen Schlupf zwischen Band und Belag vorherzusagen und die sicheren Bereiche für den Betrieb verschiedener Beläge zu ermitteln. Das unterschiedliche Reibungsmodell für verschiedene Beläge und für unterschiedlichen Normaldruck wurde überprüft und das Softwaretool für die Beläge von Elastotec kalibriert. Es wurde eine phänomenologische Beziehung zwischen Gummischerspannung und Ermüdungslebensdauer entwickelt und angewendet, um die maximal zulässige Gummischerspannung zur Erreichung der erforderlichen Ermüdungslebensdauer zu bestimmen. Die Ermüdungslebensdauer für die Verklebung wurde unter Berücksichtigung der maximal zulässigen Scherspannung an den Schnittstellen entwickelt. Dies bildet den Leistungsbereich des Tools und gilt als sichere Zone für Belagsanwendungen.
Das Tool zeigt außerdem die maximale Scherspannung an, die im Belag entsteht, die Mindest-T2-Anforderung zur Vermeidung örtlich begrenzten Schlupfs und den maximal zulässigen Verschleiß der Riemen-/Belagkombination, bevor bei einer bestimmten Anwendung örtlich begrenzter Schlupf beginnt.
Das Lagging Select-Tool wurde bei zahlreichen Anwendungen für Bandförderanlagen eingesetzt und hat stets genaue Ergebnisse geliefert. Das Tool kann verwendet werden, um die am besten geeignete Isolierung für eine Anwendung auszuwählen, oder um die Grundursache eines Isolierungsfehlers zu analysieren. In einigen Fällen kann das Tool zukünftige Isolierungsprobleme anzeigen, obwohl es derzeit keine Anzeichen für einen Isolierungsschaden gibt. Dieses Problem kann im Rahmen der vorbeugenden Wartung behoben werden.
Literaturhinweise
[1] Robinson, PW, et al., Dynamik des Antriebssystems von Beutelförderanlagen. International Journal of Mechanics and Materials in Design, 2021. 17(1): S. 187-199.
[2] 22101, D., Stetigförderer – Gurtförderer für Schüttgüter, Berechnungs- und Dimensionierungsgrundlagen. 2011: Deutsches Institut für Normung (DIN)
[3] Patel, NR und NP Joshi, Analyse von Förderbandscheibenversagen. International Journal of Engineering Development and Research, 2014. 2: S. 445-447.
[4] He, D., et al., Gesunde Geschwindigkeitskontrolle von Bandförderern beim Transport von Schüttgütern. Pulvertechnologie, 2018. 327: S. 408-419.
[5] Brett Devries, P., Variierende Reibungskoeffizienten von Belägen und Auswirkungen auf die Förderbandkonstruktion.
[6] Xin, Q., 2 – Haltbarkeit und Zuverlässigkeit im Systemdesign von Dieselmotoren, in Diesel Engine System Design, Q. Xin, Herausgeber. 2013, Woodhead Publishing. S. 113-202.