Результаты экспериментального исследования прочности и механизма разрушения резинотканевой ленты в соединениях с ходовыми каретками подвесного ленточного конвейера Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

© В.П. Дьяченко, И.А. Волин, 2014

УДК 621.867.2

В.П. Дьяченко, И.А. Волин РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ И МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ РЕЗИНОТКАНЕВОЙ ЛЕНТЫ В СОЕДИНЕНИЯХ С ХОДОВЫМИ КАРЕТКАМИ ПОДВЕСНОГО ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА

Приведены методика и результаты экспериментального исследования прочности и механизма разрушения резинотканевой ленты в болтовых соединениях с ходовыми каретками подвесного ленточного конвейера. Ключевые слова: конвейер с подвесной лентой, болтовые соединения.

и елью экспериментальных исследований прочности и механизма разрушения болтового соединения ленты подвесного ленточного конвейера с кронштейнами ходовых роликов было [1]:

- экспериментально установить усилие разрушения соединения;

- определить влияние на величину разрушающего усилия параметров, характеризующих плетение ткани (шага нитей утка) и степень анизотропности физико-механических свойств ленты (соотношения её прочности по основе и утку), а также количества прокладок в ленте;

- определить влияние на величину разрушающего усилия количества болтов в соединении и способа образования отверстия при различном продольном натяжении ленты;

- проверить гипотезы о механизме разрушения болтового соединения ленты: о скольжении нитей основы по нитям утка, их разрыхлении и обрыве в точках контакта с нитями утка; о том, что при разрушении соединения происходит разрыв только нитей основы и усилие разрушения определяется в основном их прочностью; о том, что напряжения сжатия в материале ленты в направлении утка при малом числе прокладок (1-2 шт.) воспринимаются в основном резиновой матрицей.

При планировании экспериментальных исследований учитывались эксперименты, выполненные в ИПЦ «Конвейер»

(г. Брянск) [2] с пятипрокладочной лентой типа ТК - 100 тол-шиной 12 мм. с капроновым каркасом. С целью сопоставления с данными этих экспериментов и использования их при анализе результатов собственного экспериментального исследования, для исследования выбрана лента с другими показателями прочности по основе и по утку - типа ТК - 200 - 2. Предыду-шие исследования проводились при нагрузках и соответствую-шей им суммарной прочности прокладок ленты, возможных при транспортировании весьма тяжелых грузов с плотностью более 2,0 т/м3. Поэтому в настояшем экспериментальном исследовании использовались конвейерные резинотканевые ленты с меньшим значением суммарной прочности прокладок -одно и двухпрокладочные. Плотность укладки нитей основы составляла 60 шт. на 10 см. ширины, утка - 40 шт. на 10 см. ширины. Полная толшина двухпрокладочной ленты составляла 3,8 мм, однопрокладочной - 2,8 мм. При этом средний диаметр нитей основы составляет - 100/60 = 10/6 мм, толшина тканевой прокладки равна 5/6 мм.

Испытывались образцы лент длиной по основе 500 мм, по утку - 400 мм, что соответствует размерам образцов, использованных ИПЦ «Конвейер», обоснованным путем моделирования распределения напряжений в подвесной конвейерной ленте на ЭВМ методом конечных элементов.

С целью изучения влияния способа образования отверстия в ленте под болтовое соединение, использовались различные типы пробойников: конический, конический с затупленным остриём, конический с остриём, заточенным под долото шириной 2,5 мм (равной шагу нитей утка). Диаметр пробойников составлял 6 мм. Пробойники типа «долото» использовались двумя способами: с рассечением нитей утка (ориентация долота вдоль основы) и с рассечением нитей основы (ориентация вдоль утка).

Испытывались соединения с одним и двумя болтами, установленными на расстоянии 40 мм. от борта ленты (как и в экспериментах ИПЦ «Конвейер»), диаметром 6 мм. При установке двух болтов шаг между ними составлял 50 мм.

Для определения совместного влияния на разрушающее усилие способа образования отверстия в ленте и её продольного натяжения на ширине 150 мм. от борта ленты создавалось натяжение вдоль основы в пределах 0,2 - 0,5 кН (1,33 -

3,33 Н/мм ширины ленты). Большая величина натяжения создавалась на двухпрокладочной ленте, меньшая - на однопро-кладочной.

Предварительные опыты с соединением двумя болтами показали, что при принятом расстоянии между ними каждый болт создает независимое поле деформаций. При этом поле деформаций от каждого болта наблюдалось по сетке линий, нанесенной на поверхность ленты с шагом 1 см. Поэтому в дальнейшем эксперимент проводился с одноболтовым соединением.

Предварительными опытами также установлено, что использование затупленного конического пробойника для образования отверстия под болтовое соединение не дает какого-либо дополнительного эффекта, по сравнению с использованием незатупленного конического пробойника. Поэтому затупленный конический пробойник был исключен из основной программы исследований.

Установлено также, что наличие или отсутствие натяжения ленты вдоль её основы не изменяет сушественно эффекты от рассечения нитей основы или утка при образовании отверстия в ленте. Поэтому в дальнейшем этот параметр не рассматривался в качестве переменной экспериментального исследования. Однако продольное натяжение ленты создавалось для имитации реальных условий её нагружения.

Сформированная таким образом основная программа экспериментального исследования приведена в табл.1.

Количество дублируюших опытов в каждой серии равно 5.

При экспериментальном исследовании использовался специально изготовленный стенд, схема которого приведена на рис. 1. Образец ленты 1 прикреплен к станине стенда с помо-шью зажима 2. Кроме того, имеются два зажима для натяжения ленты вдоль основы - зажим, перемешение которого регулируется стяжной муфтой 3, и зажим, на который передается натяжение каната 4 через блок 5 от груза 6. Кронштейн болтового соединения 7 посредством цепей 8 соединен с динамометром растяжения 9 максимальным усилием до 30 кН и с ползуном натяжного устройства 10. В качестве натяжного устройства использовались слесарные тиски, включаюшие ползун 10, на-правляюшие 11 с неподвижной гайкой 12, винт 13, который зафиксирован в продольном направлении неподвижно относительно ползуна 10 с помошью упоров 14.

Таблица 1

Программа экспериментального исследования прочности болтового соединения ленты

№ серии опытов Кол. дублей Тип ленты Количе -ство прокла -док Отношение прочности утка к прочности основы Диаметр болта, мм. Вид пробой-Ника Рассекаемые нити

1 2 3 4 5 6 7 8

1 2 3 5 5 5 ТК-200-2 То же То же 2 То же То же 0,325 То же То же 6 То же То же Конус Долото Долото Уток Основа

4 5 6 5 5 5 ТК-200-2 То же То же 1 То же То же 0,325 То же То же 6 То же То же Конус Долото Долото Уток Основа

7" 5 ТК - 100 5 0,600 6 Конус -

* - Опыт, выполненный ИПЦ «Конвейер» (г. Брянск)

Рис. 1. Схема экспериментального стенда

Винт приводится во вращение воротом 15. На кронштейне болтового соединения 7 установлен рабочий болт 16, а также зажимные болты 17, предназначенные для регулировки усилия сжатия между верхней и нижней пластинами кронштейна. С этой целью между пластинами и зажимными болтами установлена стальная прокладка толщиной, равной толщине ленты.

Результаты измерений разрушающего усилия в болтовом соединении ленты приведены в табл. 2. Для сопоставления в ней приведен также результат, полученный в ИПЦ «Конвейер» (опыт №7). Эксперимент показал, что в каждом из опытов имеется усилие начала разрушения и отличное от него усилие установившегося процесса разрушения (опыты проводились с полным прорезанием ленты болтом до её борта). Наибольшая прочность соединения достигалась при образовании отверстия с помощью конического пробойника. Расслоение образца ленты показало, что при этом разрывается одна нить утка. При использовании пробойника, заточенного под долото и ориентации его вдоль основы, когда дополнительно рассекается нить утка, усилие начала разрушения каркаса ленты ниже, чем при использовании конического пробойника.

Таблица 2

Результаты экспериментального исследования

№ Сред- Сред- Средне- Рас- Усилие Теоре- Отно-

се- нее на- нее ус- квадра- чет- разру- тиче- шение

рии чаль- тано- тиче- ная ше- ское экспе-

опы- вив- ское от- проч- ния усилие римен-

тов ное шееся клоне- ность карка- разру- таль-

усилие усилие ние, рези- са, шения, ного

разру- разру- % но- кН кН значе-

ше- ше- вои ния к

ния, ния, матри теоре-

кН кН цы, тиче-

скому

кН

1 2 3 4 5 6 7 8

1 5,75 5,25 5 - 7 0,50 5,25 5,58 0,941

2 5,00 4,50

3 4,00 4,50

4 3,30 3,00 5 - 7 0,46 2,84 2,82 1,007

5 3,00 3,00

6 2,80 3,00

7 10,60 - 5 - 8 2,14 8,46 6,97 1,214

При ориентации долота вдоль утка (с рассечением нитей основы) усилие начала разрушения имеет наименьшее значение. Эффект снижения прочности ленты при пробивке отверстия долотом объясняется повышением концентрации напряжений в нитях основы, особенно при их предварительном рассечении. Значения установившегося усилия разрушения при всех видах пробойников практически одинаковы. Таким образом, процесс деформирования и разрушения ленты в болтовом соединении состоит из трех стадий: стадии упругого деформирования, стадии начального разрушения и стадии установившегося процесса разрушения. Этот факт имеет важное значение для определения такого показателя надежности соединения, как его живучесть.

Для более подробного анализа из образцов лент вырезаны участки, соответствующие каждой из серий опытов. На основании этих образцов можно сделать вывод, что при образовании отверстия под болт коническим пробойником снижение прочности соединения после начальной стадии разрушения происходит вследствие разрыва резиновой матрицы с образованием в ней трещины.

При образовании отверстия пробойником типа «долото», ориентированным вдоль основы эта трещина образуется на начальной стадии разрушения, поэтому начальное усилие разрушения меньше, чем для конического пробойника. При повреждении долотом нитей основы на начальной стадии разрушения усилие еще меньше, т.к. при образовании отверстия не происходит порыв ни одной из нитей утка (как в предыдущих случаях). Если в двух предыдущих случаях начальная длина контакта болта с нитью основы равна двум шагам нитей утка, то в третьем - одному шагу, поэтому в третьем случае концентрация напряжений в нити основы выше. Эти выводы хорошо согласуются с ходом линий разрушения однопрокладочной ленты. В двухпрокладочной ленте, вследствие неравномерности нагружения и разрушения прокладок, процесс разрушения происходит сложнее.

Значение разрушающего усилия для пятипрокладочной ленты типа ТК - 100 (серия опытов 7 в табл. 2) определено по данным ИПЦ «Конвейер» следующим образом. Согласно этим данным, при установке трёх штифтов Ш6 мм. с коническим наконечником разрушающее усилие равно 25 кН, т.е. по 8,33 кН на один штифт. Однако при установке трёх штифтов нагрузка на один из них статически неопределима, и он воспринимает меньшую её долю, чем два другие. Коэффициент неравномерности нагружения штифтов в этом случае определен нами по данным опытов ИПЦ «Конвейер» с двумя и тремя болтами, установленными в предварительно просверленные отверстия. При этом предельная нагрузка на один болт составила, собственно, 14 и 11 кН. Таким образом, коэффициент неравномерности нагружения болтов в трехболтовом соединении составил 11/14. Разделив на эту величину нагрузку 8,33 кН, получаем для соединения коническим штифтом значение 10,6 кН (см. табл. 2).

Для корректного сопоставления результатов экспериментального исследования с теоретической зависимостью, как указано выше, необходимо вычесть из экспериментальных данных сопротивление разрушению резиновой матрицы. Для расчета этого сопротивления использовалась формула для расчета наибольшего напряжения в изотропном материале при нагру-жении его болтом. Наличие или отсутствие зазоров в соединении при этом оказывается малозначимым, т.к. оно влияет лишь

Таблица 3

Расчетная толщина резиновой матрицы

Тип ленты Число прокладок Толщина ленты, мм Толщина резиновой матрицы, мм.

ТК - 200 - 2 1 2,8 2,0

ТК - 200 - 2 2 3,8 2,1

ТК - 100 5 12,0 9,1

на положение точки разрушения. Результаты расчетов сведены в табл. 3 и 2.

При определении предела прочности резины за эталон были приняты результаты серии опытов № 1 с двухпрокладочной лентой ТК - 200 - 2 и образованием отверстия коническим пробойником. При этом после разрушения резиновой матрицы усилие разрыва уменьшилось на 5,75 - 5,25 = 0,5 кН. При прочих равных условиях, усилие разрушения резиновой матрицы РР прямо пропорционально её толщине Ь.

Из этой пропорции получены усилия РР для серий опытов 4 и 7. (см. табл. 2). В табл. 2 приведены также экспериментальные значения прочности каркаса ленты и их отношение к теоретическим. При этом учтено, что фактический шаг нитей утка в соединении вдвое больше номинального (кроме серий опытов 3 и 6). Отслоение верхней резиновой обкладки позволило установить механизм разрушения нитей основы. Разрыв нитей основы происходит в точках их скольжения по нитям утка, а не по линии действия приложенного усилия. В этих точках нити основы предварительно разрыхляются и прочность их уменьшается. Разрыв нитей основы происходит левее или правее линии действия усилия в случайном порядке, поэтому линия разрушения имеет зигзагообразный вид. Длина перекрытия оборванных концов нитей основы позволяет определить фактический шаг нитей утка в момент разрушения.

Как указывалось выше, основными факторами, влияние которых сложно учесть в теоретической зависимости, являются количество прокладок и степень анизотропности физико-механических свойств ленты.

Увеличение количества прокладок в ленте двояко влияет на прочность соединения. С одной стороны, увеличивается степень однородности материала каркаса и повышается степень однородности материала каркаса и повышается роль утка

Таблица 5.

Значения коэффициента неравномерности нагружения прокладок в исследованном диапазоне изменения параметров ленты

Параметры ленты

Относительная проч- Количество прокла-

ность утка док, 1

1

2

0.3 3

4

5

1

2

0.4 3

4

5

1

2

0.5 3

4

5

1

2

0.6 3

4

5

Коэффициент неравномерности нагружения прокладок, кН

1.0 0.933 0.866 0.798 0.731

1.0 0.940 0.883 0.825 0.766

1.0 0.949 0.897 0.846 0.794

1.0 0.954 0.908 0.862 0.816

в восприятии внешней нагрузки, что должно повышать прочность соединения. С другой стороны, повышается неравномерность нагружения прокладок, что должно снижать суммарную их прочность.

Степень анизотропности физико-механических свойств ленты отрицательно влияет на её прочность. В качестве технического показателя степени анизотропности целесообразно выбрать показатель, обратный отношению прочности утка к прочности основы. Для выпускаемых промышленностью России и других стран резинотканевых лент он равен 0,325 - 0,600. Так для лент типа ТК - 100 этот показатель имеет максимально возможное значение, равное 0,6; для лент типа ТК - 200 -0,325. Относительная прочность нитей утка практически всегда падает с увеличением прочности основы.

Для определения поправочного коэффициента к теоретической зависимости на количество прокладок в ленте и отно-

сительную прочность утка построена регрессионная зависимость по средним усилиям разрушения, выбранным из табл. 2, имеющая вид:

у = 0,588 - 0,0651 + 1,484у.

В табл.5 приведены рассчитанные на ее основе значения коэффициента снижения прочности ленты КН (при 1 = 1, КН = 1).

При этом необходимо учитывать, что при прошивке ленты возможно дополнительное повреждение нитей утка и основы, которое снижает прочность соединения. Для лент типа ТК -200 - 2 с одной и двумя прокладками начальное усилие разрушения снижается при этом в 1,18 - 1,44 раза.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волин И.А. Экспериментальные исследования прочности механического соединения подвесной конвейерной ленты с ходовыми каретками. Деп. рук. № 612/01-08/ Горный информационно-аналитический бюллетень.- М.: МГГУ, 2008, № 1.- 10 с.

2. Конвейеры с подвесной лентой / В.И. Аверченков, С.В. Давыдов, В.П. Дунаев, В.Н. Ивченко и др. - М.: Машиностроение - 1, 2004. -255 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Дьяченко В.П. - кандидат технических наук, профессор кафедры «Горная механика и транспорт»,

Волин И.А. - кандидат технических наук, сотрудник, МГИ НИТУ МИСиС

Dyachenko V.P., Candidate of Engineering Sciences, Volin I.A., Candidate of Engineering Sciences,

Moscow mining Institute National University of Science and Technology "MISIS" (MISIS) REFERENCES

1. Volin I.A. Eksperimentalnye issledovaniya prochnosti mekhanicheskogo so-edineniya podvesnoi konveiernoi lenty s khodovymi karetkami (Experimental studies of the mechanical strength of the connection suspended conveyor belts to the road carriages). Dep. ruk. No. 612/01-08/ Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. Moscow, MGGU, 2008, No. 1, 10 p.

2. Averchenkov V.I., Davydov S.V., Dunaev V.P., Ivchenko V.N. i dr. Konveiery s podvesnoi lentoi (Conveyors with outboard tape). Moscow. Mashinostroenie no. 1, 2004, 255 p.