Theoretisches Modell zur Bewertung der Auswirkungen von Riemenverschleiß auf die Beanspruchung der Gummierung

Einleitung

Die Overland Conveyor Company wurde von Elastotec Pty Ltd beauftragt, im Rahmen ihrer Forschungs- und Entwicklungsstudien ein theoretisches Modell zur Untersuchung der Auswirkungen des Verschleißes der Förderbandabdeckung auf die Riemenscheibenbeläge zu entwickeln.

Studienkonzept

Die Beläge von Förderbandtrommeln können aufgrund der hohen Belastung durch das Band verschleißen und/oder versagen. Ein neuer Problembereich, in dem Feldbeobachtungen durchweg eine reduzierte erwartete Lebensdauer der Beläge zeigen, ist, wenn die Beläge unter hoher Bandspannung funktionieren und gleichzeitig mit der „schmutzigen“ Seite (oder oberen Abdeckung) des Förderbands auf nicht angetriebenen Förderbandtrommeln in Kontakt sind.

Die Overland Conveyor Company hat die Theorie aufgestellt, dass diese Anwendungen mit hochgespannten Umlenkrollen problematisch sind, da die Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Förderbandabdeckung entlang des mittleren Drittels des Bandes abgenutzt ist, während die Ränder des Bandes ihre volle Beschichtungsdicke beibehalten. Diese Theorie kann in den folgenden Punkten zusammengefasst werden:

Durch den Verschleiß der Riemenabdeckung laufen einige Riemenstränge mit einem geringeren Radius um die Riemenscheibe und haben daher einen geringeren Umfang als andere Stränge des Riemens.¹
Dadurch entsteht eine Kombination aus Umfangsscherspannung und potenziellem Schlupf an der Schnittstelle zwischen Belag und Riemen (ähnlich wie bei einer Antriebsriemenanwendung).
Dadurch wird auch der radiale Riemendruck verringert und die vorhandene Reibung reduziert, was ein Rutschen verhindert.
Diese Unterschiede in der Riemenspannung führen zu einer Scherspannung durch die Riemenabdeckung und den Nachlaufkontakt.

Die Methodik und das Mathcad-Modell wurden erstellt, um die oben dargelegte Theorie zu bewerten. Das Hauptziel des Modells besteht darin, die theoretischen Scherspannungseffekte zu kommunizieren, die Riemenverschleiß innerhalb der Ummantelung bei diesen Anwendungen mit hochgespannten Biegescheiben erzeugen kann. Der Bewertungsprozess umfasst die folgenden Schritte.

Berechnen Sie die Spannung in jeder Kordel über die Breite des Riemens. (MathCAD-Modell)
1. Es ist zu beachten, dass die Spannung in jeder Schnur in zwei Dimensionen variiert:
  1. Über die Breite des Gürtels
  2. Während des gesamten Kontakts mit der Riemenscheibenbeschichtung und dem Riemen (Klemmpunkt bis Mitte der Riemenumschlingung – 0 bis 90 Grad Umschlingung)
2. Vergleichen Sie die Spannungen am Nip-Point mit den Spannungen in der Wickelmitte, um die Spannung im schlimmsten Fall zu ermitteln.
  Unterschiede (Spannungsunterschiede würden Scherspannungen/Dehnungen im Riemen/Belag verursachen
  Gummi).
Nehmen Sie diese Spannungsunterschiede im schlimmsten Fall und geben Sie sie in die Software „Lagging Analyst“ von OCC ein, um die Scherspannung von Gummi zu bewerten.

¹ Mariä Himmelfahrt: Die gesamte Kabellängenänderung erfolgt in den Verschleißbereichen. In der Realität sind einige Kabel einer höheren Spannung/Dehnung ausgesetzt, was zu einer verzögerten Scherung in die entgegengesetzte Richtung führt und so einen Mittelungseffekt bewirkt.

Bitte beachten Sie, dass diese Arbeit zum Vergleich und Verständnis geeignet ist, aufgrund vereinfachender Annahmen (die weiter unten ausführlicher erörtert werden) jedoch möglicherweise keine Vorhersagen zum tatsächlichen Verschleiß trifft.

Methodik und Annahmen

Ein Kabellastverteilungsmodell basierend auf einem Artikel von Hedgepeth (Hedgepeth, 1961) wird verwendet, um die Riemenspannungen und -dehnungen über die Riemenbreite und von der Mitte der Riemenscheibenumwicklung bis ins Unendliche vorherzusagen. (Viele andere Artikel befassen sich mit der Vorhersage und den Auswirkungen von Scherverzögerungen - der Bezeichnung für die Wirkung der Versteifungswirkung des angrenzenden Materials.) Hedgepeth, ein planares Modell, wurde als frühe Arbeit mit Eingaben ähnlich denen von Stahlkabelbändern ausgewählt. Während Hedgepeth ² berücksichtigt die Auswirkungen gebrochener Kabel und ermöglicht eine einfachere Eingabe der einzelnen Kabellängenänderungen über die Bandbreite. Eingaben für das Modell sind Kabelspannungsmodul³ , Kabeldurchmesser, Kabelabstand und Gummimodul⁴ sowie die Verkürzung der Kabellänge. Beispielergebnisse sind unten aufgeführt. Andere Betriebsbedingungen beeinflussen die Auswirkung von Riemenwechseln auf Scherung/Schlupf/Verschleiß.

Die Verteilungen der Kabeldehnung und -spannung bilden eine Grundlage für die Scherbeanspruchung der Lagging Analyst. Die Spannungsänderung von der Mitte bis zum Ende der Riemenscheibenwicklung wird als Indikator für künftigen Verschleiß vorgeschlagen, aber bei direkter Verwendung von Lagging Analyst können weitere Effekte ermittelt werden.

Die festen Parameter für diese Analyse lauten wie folgt:

Riemenscheibenumwicklung – 180 Grad
Riemenverschleiß an der Abdeckung im mittleren Drittel des Riemens (parabolisches Verschleißmuster)
Dicke der oberen Riemenabdeckung (18 mm)
Stahlseilgurt mit 1800 mm Breite

Die variablen Parameter für diese Analyse sind wie folgt:

Gurtspannung:
- 525 kN/m – ST3150 Riemen – Korddurchmesser 7.6 mm, Kordteilung 15 mm
- 750 kN/m – ST4500 Riemen – Korddurchmesser 9.3 mm, Kordteilung 16 mm
- 1050 kN/m – ST6300 Riemen – Korddurchmesser 12.3 mm, Kordteilung 20 mm
- 1250 kN/m – ST7500 Riemen – Korddurchmesser 13.2 mm, Kordteilung 19 mm
- Die Riemenscheibendurchmesser wurden variiert, um sie an den für jeden Riemen empfohlenen Durchmesser der Hochspannungsriemenscheibe anhand leicht verfügbarer, veröffentlichter Daten anzupassen.
- Kordeldurchmesser, Teilung und Elastizitätsmodul wurden aus leicht verfügbaren, veröffentlichten Daten eines großen Förderbandherstellers entnommen.
Verschleiß der Riemenabdeckung:
- 5 mm, mm 10, 15 mm

² Mariä Himmelfahrt: Das aktuelle Bandmodell geht von einem unendlich breiten Band aus. (<5 % Effekt). Es berücksichtigt keinen Widerstand durch Belag und Decksteifigkeit.
³ Mariä Himmelfahrt: Riemenschnüre gelten als ähnlich dehnbar wie typische Industriekabel.
⁴ Mariä Himmelfahrt: Der Längsschubmodul G des Riemens wird aus der Masterkurve 5741 bei der Drehfrequenz der Riemenscheibe ausgewählt. Es wird angenommen, dass der Gummi Scherunterschieden zwischen Stahlkabeln in einem Abstand von bis zu dem Doppelten des Stahlkabeldurchmessers standhält.

Ergebnisse und grundsätzliche Diskussion

Im MathCAD-Modell beginnt die Analyse mit der Berechnung der relativen radialen Stahlkordpositionen innerhalb des Riemens über die gesamte Breite des Riemens aufgrund des Riemenverschleißes. Die folgende Grafik zeigt die Ergebnisse dieser Berechnung.

Diagramm: Relative Kordposition vs. Kordnummer über die Bandbreite

Bei der Auswertung der obigen Grafik ist deutlich zu erkennen, dass im mittleren Drittel des Bandes eine parabolische Verschiebung der Stahlseilposition auftritt. In diesem Modell liegen die Seile in diesem mittleren Teil des Bandes näher an der Riemenscheibe als die Seile am Rand des Bandes, wobei das Seil in der absoluten Mitte des Bandes 1 mm, 3 mm oder 5 mm näher an der Riemenscheibe liegt (je nachdem, welchen Ergebnisfall wir auswerten).

Diagramm: Modellaufbau mit Nomenklatur für Nip Point und Wrap Point

Mithilfe des Hedgepeth-Modells können wir dann die theoretischen Spannungen des Stahlseils am Kontaktpunkt zwischen Riemen und Belag sowie in der Mitte der Umwicklung der Riemenscheibe berechnen. Spannungsunterschiede zwischen dem Kontaktpunkt und der Mitte der Umwicklung würden eine Scherspannung innerhalb des Belags und der Riemenabdeckung erzeugen.

Diagramm: Spannung (kN) in den Stahlcordkabeln am Quetschpunkt (blau) und in der Wickelmitte (rot) im Vergleich zur Cordanzahl über die Bandbreite

Bei der Auswertung der obigen Grafik können wir erkennen, dass die Seilspannung im gesamten abgenutzten mittleren Abschnitt des Riemens abnimmt und die maximale Seilspannung im ersten Seil im nicht abgenutzten Abschnitt des Riemens auftritt, neben der Stelle, an der der Verschleiß der Riemenabdeckung beginnt. Die Seile, die dieser maximalen Spannung ausgesetzt sind, nehmen zusätzliche Last auf, um die reduzierte Spannung durch die Seile in der Mitte des Riemens auszugleichen.

Darüber hinaus ist ein Unterschied in der Seilspannung am Quetschpunkt (blaue Linie) im Vergleich zur Seilspannung in der Mitte der Riemenscheibe (rote Linie) deutlich zu erkennen. Der Spannungsunterschied am Seil mit Spitzenspannung und der Spannungsunterschied am Seil genau in der Mitte des Riemens werden für weitere Analysen im Rahmen der Belaganalyse verwendet, um die im Belag entwickelte Scherspannung zu bestimmen. Die folgende Tabelle fasst diese Spannungsergebnisse der Belaganalyse zusammen:

Auswertung der obigen Ergebnisse:

Wie erwartet erhöht sich bei zunehmendem Riemenverschleiß die Scherspannung am Belag.
Die Riemenspannung hat keinen Einfluss auf die Scherspannung, jedoch hat sie einen großen Einfluss auf den Normaldruck zwischen Riemen und Belag, der wiederum einen großen Einfluss auf die erforderliche Euler-Reibung zur Verhinderung von Schlupf hat.
Wenn die Riemenspannung bei den Verschleißmodellen mit 10 mm und 15 mm abfällt, wird die Spannung in der Mitte des Riemens negativ. Dies würde zu einem vollständigen Verlust des normalen Drucks zwischen dem Riemen und der Belagschicht führen, was praktisch einen vollständigen Kontaktschlupf in der Mitte des Riemens gewährleistet. Diese Ergebnisse werden mit einer „Unendlichkeit (vollständiger Schlupf)“ für die Ausgabe der erforderlichen Euler-Reibung angegeben.
Aus unserer Arbeit mit Dr. Bo Persson wissen wir, dass der Schlupf zwischen Oberflächen im Euler-Reibungsmodell nicht vollständig quantifiziert wird und dass Schlupf fast immer auftritt. Die entscheidende Frage ist, wie viel Schlupf auftritt. Für ein vereinfachtes Verständnis des Modells wird jedoch der Euler-Schlupf zur Bewertung dieses Modells verwendet.
Für die obige Berechnung wurde ein ST7500-Riemen mit einem Riemenscheibendurchmesser von 2500 mm (empfohlener Hochspannungsriemenscheibendurchmesser laut Katalog) verwendet.
Für die Berechnungen des Lagging Analyst wurde angenommen, dass die Isolierung eine Dicke von 15 mm, eine Härte von 75 Shore A, eine Polsterbreite von 150 mm, eine Nutbreite von 15 mm und eine Nuttiefe von 5 mm aufweist (Abbildung unten).

Um die Auswirkungen der Riemenkonstruktion auf die Ergebnisse zu verstehen, wurde das Modell verwendet, um die Scherspannung in der Ummantelung für verschiedene Riemenkonstruktionen zu berechnen, die unter hoher Spannung betrieben werden (Riemenspannung, die einen Sicherheitsfaktor von 6:1 für jeden Riemen erzeugt), den Katalogwert für Hochspannungsscheiben für jeden Riemen und 10 mm Riemenabdeckungsverschleiß. Die Ergebnisse sind wie folgt:

Hier können wir sehen, dass der vom Riemenhersteller empfohlene Riemenscheibendurchmesser für jede Riemenkonstruktion ein relativ konsistentes Scherspannungsergebnis ermöglicht. 10 mm Verschleiß erzeugen eine Scherspannung von ~40 kPa in der Ummantelung in der Mitte des Riemens und eine Scherspannung von ~330 kPa in der Ummantelung auf einem Drittel des Weges vom Riemenrand. Die reduzierte Spannung in Riemen mit niedrigerer Nennleistung erhöht das Schlupfrisiko.

Wir sollten bedenken, dass die Sauberkeit der Riemenabdeckung eine sehr große Rolle bei der erwarteten Reibung zwischen der Belagschicht und der Riemenabdeckung spielt. Und jede Menge Schmutz/Staub/Feuchtigkeit kann die kombinierte Wirkung haben, die Reibung zu verringern und den Verschleiß zu erhöhen. Darüber hinaus führt ein Rutschen unter höheren Normaldrücken (höhere Riemenspannungen) zu mehr Verschleiß als ein Rutschen unter niedrigeren Normaldrücken (niedrigere Riemenspannungen). Dieses Modell versucht nicht, die erwartete Reibung oder das Ausmaß des Verschleißes vorherzusagen, die aus den Scherspannungen der Belagschicht resultieren.

OCC ist der Ansicht, dass die obigen Ergebnisse für einen relativen Größenordnungsvergleich der Ergebnisse geeignet sind, um besser zu verstehen, wie sich der Verschleiß der Riemenabdeckung auf die Beanspruchung der Verzögerung auswirkt.

Potenzial für zusätzliche Arbeit

Wie oben erwähnt, wurden die Methodik und das Mathcad-Modell entwickelt, um die zu Beginn des Berichts dargelegte Theorie zu bewerten. Das Hauptziel des Modells besteht darin, die theoretischen Scherspannungseffekte zu vermitteln, die Riemenverschleiß innerhalb der Ummantelung bei diesen Anwendungen mit hochgespannten Biegescheiben erzeugen kann. Die Ergebnisse berücksichtigen dies.

Um die Zuverlässigkeit der oben genannten Ergebnisse zu erhöhen, sind möglicherweise noch weitere Arbeiten erforderlich. Dazu gehören die folgenden:

Betrachten Sie +/- Scherbelastung durch +/- Riemenspannungsänderung als den tatsächlichen Fall.
Nutzen Sie FEA, um ein besseres Verständnis der effektiven Gummischerung zwischen Kabeln zu erlangen.
Führen Sie eine Rubber Master Curve-Analyse von typischem Intercord-Gummi durch, um einen besseren Wert für den Schermodul zu erhalten.
Integrieren Sie das Modell von Dr. Persson für die Mu-Slip-Reibung in die Analyse, um besser vorhersagen zu können, wie viel Schlupf auftreten kann.
Aktualisieren Sie das Hedgepeth-Modell für endliche Bandbreiten, um dieses Modell auf andere Einflüsse (Übergänge, Kurven) und Zwecke auszuweiten.
Aktualisieren Sie das Hedgepeth-Modell, um die Schersteifigkeit der Ummantelung und der Abdeckung einzubeziehen.