Přeprava sypkých materiálů tvoří jeden z důležitých článků spojujících jednotlivé zpracovatelské procesy především v oblastech důlního průmyslu, zpracování nerostných surovin, paliv a energetiky, zpracování odpadu, stavebního průmyslu, ale i potravinářství a zemědělství. V oblasti přepravy sypkých hmot mají své nezastupitelné místo dopravníky jako jednoúčelová zařízení speciálně navržená pro konkrétní použití. Nejčastěji se jedná o kontinuálně pracující stroje. Jejich úkolem je zajištění nepřetržitého a plynulého toku materiálu mezi místem nakládání a vykládání.

Prioritní postavení mezi těmito zařízeními má pásový dopravník, jehož charakteristickým prvkem je nekonečný gumový pás. Tento pás splňuje funkci tažného a nosného elementu pohybujícího se po dopravních válečcích. Princip a základní funkční schéma pásového dopravníku se během desítek let prakticky nezměnily. Vývoj vždy kopíroval dosažené výsledky hlavně v oblastech konstrukčních materiálů, pohonných jednotek a dopravních pásů. To umožnilo vývoj a výrobu větších, delších, rychlejších a výkonnějších dopravníků. Pro potřeby dalšího rozvoje a vědeckého poznání se však již v dnešní době neobejdeme bez výsledků experimentálních měření.

Obr. 1 Zkušební experimentální zařízení pro výzkum pásových dopravníků na Leibniz Universität Hannover

Na tomto místě je však třeba zdůraznit, že realizace takových měření není vůbec jednoduchá. Je to způsobeno nejen náročnými provozními podmínkami, ale i potížemi s umístěním, provozováním měřicích bodů a snímací experimentální aparatury. Pro potřeby vědeckého výzkumu se tak používají různá speciálně konstruovaná testovací zařízení, která je možné provozovat v laboratorních podmínkách. Díky nim je tak možné získat databáze informačních zdrojů, které se v běžných provozních podmínkách, kde jsou dopravníky provozovány, nedají získat (obr. 1).

Experimentální zkušební zařízení pro výzkum hadicových dopravníků

Jedno z vědeckých pracovišť, které se zabývá výzkumem kontinuálních dopravních systémů, se nachází na Technické univerzitě v Košicích. Pro potřeby vědeckého výzkumu je zde využíváno vlastní experimentální zkušební zařízení. Toto zařízení slouží k výzkumu ekologických systémů dopravy surovin prostřednictvím hadicových dopravníků.

Vzhledem k délce období provozování hadicových dopravníků je realizace výzkumu velmi užitečná. V rámci provozování a navrhování hadicových dopravníků je třeba ještě udělat mnoho úprav a zlepšení v jednotlivých komponentách, které se nejvíce opotřebují, a tak prodloužit jejich životnost a zvýšit spolehlivost. K nim patří pohybující se prvky, válečky a dopravní gumový pás. Pokud jsou tyto úpravy provedeny na základě zkušeností z provozu již nainstalovaných hadicových dopravníků, případně na různých zkušebních zařízeních, mohou být velmi efektivní a velmi přínosné. Koncepce navrženého zkušebního zařízení vychází ze samotného principu fungování hadicových dopravníků.

Hadicový dopravník dopravuje materiál v pásu, který je uzavřen do tvaru kruhové hadice. V místě nakládání je pás otevřený. Při přechodu pásu přes nakloněné válečky se obě strany pásu postupně sbalí do tvaru uzavřené hadice. Během celé délky dopravníku se dopravní pás pohybuje ve tvaru uzavřené hadice, ve kterém ho udržuje nejčastěji šest válečků hexagonální válečkové stolice. Po dosažení místa vykládky materiálu se dopravní pás otevírá do původního korýtkového tvaru. Pás ve spodní větvi se opět sroluje do tvaru hadice a otevírá se až před místem nakládání. Na základě těchto výchozích charakteristik je konstruováno testovací zařízení (obr. 2).

Obr. 2 Zkušební zařízení vyvinuté na Technické univerzitě v Košicích

Princip fungování zkušebního zařízení

Napnutí dopravního pásu ve zkušebním zařízení zajišťují napínací tyče se závitem. Konce napínacích tyčí jsou vybaveny svorkami s hroty na upevnění dopravního pásu. Svorky slouží k zafixování dopravního pásu a zajištění jeho pohybu při napínání a uvolňování.

Obr. 3 Detaily upevnění sbaleného dopravního pásu pomocí napínacích tyčí se závitem

Na třech válečkových stolicích se provádějí statická měření silových poměrů pomocí 18 tenzometrů upevněných na závitových tyčích (obr. 4). Matice na závitových tyčích umožňují nastavovat různé průměry sbaleného dopravního pásu hadicového dopravníku. Pro realizaci měření je použita náhrada vodicího válečku – kruhová trubka podle normalizovaného průměru vodicího válečku 0,048 m s délkou 0,2 m. Válečková stolice a statický vodicí váleček s tenzometry je navržen pro průměr sbaleného dopravního pásu 0,11 m ÷ 0,35 m (tomu odpovídají šířky dopravního pásu 0,4 m ÷ 1,3 m). Tři hexagonální válečkové stolice jsou spojeny pomocí modulárních výztuh z kruhových trubek a šroubových spojů, čímž je zajištěna vysoká tuhost montované konstrukce a zároveň snadná montáž a demontáž. Vzájemný rozestup válečkových stolic je možné měnit díky modulární konstrukci a délce výztuh.

Pro upnutí rozvinutého dopravního pásu je použit svěrací spoj posílený jednostrannými hroty přivařenými na horní i dolní příchytce pásu. Napínání rozevírajícího se dopravního pásu je realizováno pomocí redukční konstrukce a závitových tyčí M24 × 500 mm. Pomocí redukční konstrukce se dopravní pás z kruhového tvaru rozbaluje. Redukční konstrukce byla navržena tak, aby napínací síla v pásu působila uvnitř uzavřené konstrukce a ne mimo ni. Tato konstrukce je rozdělena na horní a dolní část. Každá část je vytvořena ze čtyř stupňů.

Samotné upínací zařízení pro rozvinutý a napínací zařízení pro otevírající se pás tvoří L profil 240 × 1600 mm, který je náhradou hnacího nebo hnaného válce. K jeho jedné straně je přivařena dolní příchytka pásu a na druhé straně jsou dva otvory D = 25 mm pro závitové tyče M24 × 500 mm.

Obr. 4 Detaily jednotlivých navržených měřicích členů

Realizace experimentálních měření

Jednotlivé měřicí členy byly navrženy na měření velikosti kontaktních sil vyvolaných vzájemnou interakcí sbaleného dopravního pásu a vodicích válečků v hexagonální stolici. Jde o měření, které může významně objasnit problematiku vzniku pohybových odporů při reálném provozu hadicového dopravníku. Dalším typem měření, které zkušební zařízení umožňuje, je sledování rozložení napínací síly v sbaleném dopravním pásu.

Oba typy měření lze provádět za různých podmínek díky variabilitě konstrukce zkušebního zařízení (obr. 5, 6). Je možné například simulovat excentricitu uložení vodicích válečků. V jejím důsledku v reálném provozu vzniká nerovnoměrné rozdělení pohybových odporů. V takovém případě je dopravní pás podrobován nerovnoměrnému opotřebení, které se může projevit zvýšeným otěrem dolní krycí vrstvy nebo vznikem axiálních rýh podél celé dopravní trasy. Uváděné měření by v reálných podmínkách nebylo možné uskutečnit.

Obr. 5. Pohled na hexagonální válečkovou stolici s měřicím členem

Softwarové vybavení experimentálního zařízení je realizováno pomocí programu s názvem LabVIEW Signal Express 2010 od firmy National Instruments. Jeho pomocí se provádí zápis výsledků z jednotlivých tenzometrů a jejich následný export do aplikace Microsoft Office Excel na následné vyhodnocení pomocí různých statistických metod.

Obr. 6 Pohled na namontované tenzometry v experimentálním zkušebním zařízení

Využití výsledků experimentálních měření

Zkušební zařízení umožňuje určování kontaktních sil vznikajících v důsledku formování dopravního pásu do tvaru hadice. Na základě získaných zkušeností a poznatků byl vytvořen i simulační výpočetní model v programu Abaqus. Jde však o model samotného zkušebního zařízení. Tento model spolu se zkušebním zařízením umožňuje podrobnější výzkum pohybových odporů a kontaktních sil ve válečkových stolicích hadicového dopravníku. Umožňuje realizaci kontroly při jednotlivých měřeních a plánování dalších sérií experimentů. Model rozšiřuje znalostní bázi získanou z experimentů o další informace. Příklad výstupů z modelu je na obr. 7.

Obr. 7 Ukázka výsledku výpočtu získaného druhým FEM modelem

Závěr

Hadicové dopravníky, jako progresivní nástroj kontinuální přepravy surovin v rámci širokého spektra průmyslových technologií, jsou i přes jejich již poměrně dlouhou historii spojeny s celou řadou otázek. Jde především o otázky provozování, údržby, spolehlivosti a životnosti dopravního pásu. Při hledání odpovědí na tyto otázky se úspěšně využívají různé druhy vědeckých metod a jejich modifikací. Mezi nejvíce využívané metody v rámci kvantitativního výzkumu patří experimentální metoda.

Experimentální metoda (nebo stručně experiment) má mezi metodami kvantitativního výzkumu hadicových dopravníků klíčové postavení. Je to proto, že jako jediná z výzkumných metod umí dokázat kauzální důsledky působení jednotlivých provozních parametrů a charakteristik. Je schopna dokázat, jak jeden provozní jev ovlivňuje jiný apod. Pomocí jiných výzkumných metod můžeme v oblasti hadicových dopravníků zjistit jen vzájemné vztahy jevů, nemůžeme však s jistotou potvrdit, že tyto vztahy jsou kauzální. Realizování experimentálních měření v reálných provozních podmínkách je náročné a někdy velmi těžko realizovatelné. Je to způsobeno různými důvody. Východiskem při realizování experimentálních měření pro potřeby hadicových dopravníků se jeví využití zkušebních zařízení (obr. 8).

Obr. 8 Zobrazení polohy tenzometrů na jednotlivých válečkových stolicích

Prezentované zkušební zařízení (obr. 9) vyvinuté na Technické univerzitě v Košicích umožňuje na základě zhodnocení výsledků měření detailně popsat:

• závislosti vzdálenosti válečkových stolic a sbalení dopravního pásu hadicového dopravníku,
• velikost pružných deformací gumo-textilního dopravního pásu před jeho aplikací v provozu, tedy těsně po jeho výrobě,
• vliv přepravovaného materiálu na sbalení pásu hadicového dopravníku.

Závěry těchto měření mohou posloužit k optimálnímu návrhu složení směsi potřebné pro výrobu dopravního pásu, tedy krycích vrstev, materiálu kostry a jejího optimálního uspořádání.

Obr. 9 Detailní pohled na válečkové stolice zkušebního zařízení

Článek je součástí řešení projektů grantových projektů VEGA 1/0258/14, VEGA 1/0619/15, VEGA 1/0063/16, KEGA 006STU-4/2012 a KEGA 018TUKE-4/2016.

Literatura

1. http://www.ita.uni-hannover.de/fileadmin/ITA/maschinen/eindrueck_2.jpg