Comparison of conventional sprocket drum and sprocket drum with modified design

Seats in conventional sprocket drums are symmetrical. Due to the set general direction of sprocket drum revolutions resulting from the direction of rock transport, the wear of the seat bottoms and teeth flanks may be reduced by introducing the asymmetry of the profile of the sprocket drum seats. The proposed modification of sprocket drum seats’ profile consists of inclining the seat bottom towards the expected direction of the basic drum revolutions. The work compares the loads on the seats and teeth of a conventional drum with its profile conforming to the standard to a modified drum with an asymmetric profile of seats. For the general direction of sprocket drum revolutions, the maximum values of all forces are higher for a standard drum than for a modified drum. The profile asymmetry substantially shortens the friction path of the horizontal link front torus on the seat bottom and relative total friction work on the seat bottom and lessens the occurrence probability of the slide of the horizontal link rear torus on the tooth flank. The modification of the profile causes also the asymmetric wear of link joints. The total relative friction work is considerably reduced in the front joint as compared to a conventional drum, and the total relative friction work in the rear joint is increasing at the same time.

Podstawową maszyną ścianowego kompleksu zmechanizowanego jest przenośnik zgrzebłowy. Ze względu na duże moce napędów wysoko wydajnych przenośników ścianowych bębny łańcuchowe przenoszą wysokie momenty obrotowe z reduktorów napędów i zazębiając się z torusami tylnymi ogniw poziomych łańcucha przekazują łańcuchowi zgrzebłowemu siłę pociągową. W czasie eksploatacji ścianowego przenośnika zgrzebłowego następuje – głównie na skutek zużycia ściernego – zwiększenie podziałki łańcucha ogniwowego i zmniejszenie podziałki bębna łańcuchowego. Wchodzeniu ogniw łańcucha o zwiększonej podziałce w zazębienie z segmentami zębów bębna w warunkach poślizgu ogniw na flance zęba towarzyszą znaczące siły nacisku i tarcia, mające decydujący wpływ na zużycie segmentów zębów bębna. Uprzywilejowany kierunek ruchu łańcucha transportującego urobek determinuje zasadniczy kierunek obrotów bębna łańcuchowego, co wpływa na asymetryczne zużywanie się den gniazd i segmentów zębów. W bębnach łańcuchowych o dużym stopniu zużycia widoczne są istotne różnice zarówno w wielkości zużycia jak i stereometrii gniazda po stronie napędowej stykającej się z torusem tylnym ogniwa poziomego oraz biernej współdziałającej z torusem przednim ogniwa poziomego (Rys. 1). W bębnach łańcuchowych konwencjonalnych gniazda są symetryczne. Symetralna dna każdego z gniazd przechodzi przy tym przez oś obrotu bębna. Ze względu na założony zasadniczy kierunek obrotów bębna łańcuchowego, wynikający z kierunku transportowania urobku, sposobem zmniejszenia zużycia den gniazd i flanek zębów może być wprowadzenie asymetrii zarysu gniazd bębna łańcuchowego. Proponowana modyfikacja zarysu gniazd bębna łańcuchowego polega na pochyleniu dna gniazda w stronę przewidywanego kierunku zasadniczych obrotów bębna w taki sposób, że symetralna dna gniazda będąca prostą prostopadłą do dna gniazda poprowadzoną w środku długości gniazda jest oddalona od osi obrotu. Asymetria zarysu daje możliwość zmiany stosunku wartości kąta α1 obrotu torusa przedniego ogniwa poziomego nabiegającego na bęben względem dna gniazda, do wartości kąta α2 obrotu ogniwa pionowego względem poprzedzającego go ogniwa poziomego (Rys. 3). W zakresie obrotu bębna łańcuchowego o kąt podziałowy wyróżnia się trzy przedziały charakteryzujące się odmiennym sposobem obciążenia elementów bębna łańcuchowego. Przy współdziałaniu bębna łańcuchowego z łańcuchem o zwiększonych podziałkach ogniw, wzrasta kąt nachylenia ogniw poziomych względem den gniazd koła, przy czym dla bębna o zmodyfikowanym zarysie gniazd wartość tego kąta rośnie ze wzrostem podziałki ogniw wolniej niż dla bębna konwencjonalnego. Równocześnie ze wzrostem podziałki ogniw skraca się czas trwania pierwszego przedziału obrotu bębna o kąt podziałowy, czemu towarzyszy zmniejszanie wartości maksymalnej reakcji pomiędzy torusem przednim ogniwa poziomego a dnem gniazda. Ze względu na asymetrię zarysu gniazda wartość pierwszego przedziału obrotu bębna o kąt podziałowy jest zdecydowanie mniejsza dla bębna zmodyfikowanego niż dla konwencjonalnego (Rys. 4). Wzrost podziałki ogniw powoduje wzrost maksymalnej wartości siły w punkcie styku torusa tylnego ogniwa poziomego z powierzchnią roboczą zęba. Dla bębna o zmodyfikowanym zarysie maksymalna wartość tej siły wzrasta szybciej niż dla bębna konwencjonalnego, jednak siła ta ma wartość zawsze mniejszą niż dla bębna konwencjonalnego (Rys. 5). Wartości maksymalne wszystkich sił są wyższe dla bębna normowego niż dla zmodyfikowanego. Ponadto w końcowym zakresie obrotu bębna konwencjonalnego o kąt podziałowy, dla zachowania równowagi ogniwa poziomego niezbędna jest siła tarcia pomiędzy torusem tylnym ogniwa poziomego a flanką zęba, co zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia poślizgu ogniwa w stronę dna gniazda. Wyznaczono pracę tarcia ogniwa poziomego na dnie gniazda i na flance zęba oraz pracę tarcia w przegubach ogniw dla bębna konwencjonalnego o normowym zarysie gniazd i dla bębna asymetrycznego o zmodyfikowanym zarysie gniazd. Wartość względnej sumarycznej pracy tarcia przy poślizgu torusa przedniego ogniwa poziomego na dnie gniazda dla bębna zmodyfikowanego jest kilkakrotnie mniejsza niż dla bębna konwencjonalnego (Rys. 7). Im większy wzrost wydłużenia podziałki ogniw łańcucha współdziałającego z bębnem tym większe procentowe zmniejszenie pracy tarcia na dnie gniazda zmodyfikowanego (Rys. 8). Pracę tarcia podczas poślizgu torusa tylnego ogniwa poziomego po flance zęba wyznaczono całkując numerycznie iloczyn drogi poślizgu i odpowiedniej wartości siły tarcia w punkcie styku ogniwa z flanką zęba w chwili wystąpienia poślizgu. W trzecim przedziale obciążenia, w którym może dojść do poślizgu ogniwa poziomego po flance zęba, wartość siły w punkcie styku torusa tylnego ogniwa poziomego z flanką zęba jest dla bębna konwencjonalnego zawsze większa niż w bębnie zmodyfikowanym. Ze względu na mniejszą wartość kąta nachylenia ogniwa poziomego do dna gniazda w bębnie zmodyfikowanym, droga poślizgu na flance zęba również jest mniejsza. Z tych powodów, w przypadku wystąpienia poślizgu ogniwa poziomego po flance zęba, wartość pracy tarcia na flance zęba w bębnie asymetrycznym o zmodyfikowanym zarysie jest mniejsza niż w bębnie konwencjonalnym. W czasie obrotu bębna łańcuchowego o kąt podziałowy następuje wzajemny obrót ogniw w przegubie przednim i w przegubie tylnym. Dla określonych warunków tarcia oraz znanego obciążenia ogniw wyznaczono pracę tarcia w przegubie przednim i przegubie tylnym przy obrocie bębna łańcuchowego o kąt podziałowy, uwzględniając fazę toczenia się ogniw i fazę poślizgu ogniw w przegubach (Rys. 10). Skróceniu w bębnach zmodyfikowanych ulega faza poślizgu ogniw w przednim przegubie ogniwa poziomego. Powoduje to znaczne zmniejszenie sumarycznej względnej pracy tarcia w przegubie przednim w porównaniu z bębnem konwencjonalnym oraz równoczesne zwiększenie sumarycznej względnej pracy tarcia w przegubie tylnym. Suma względnej pracy tarcia w przegubie przednim i tylnym jest przy tym niemal jednakowa dla bębnów konwencjonalnych i zmodyfikowanych. Wykonano bęben łańcuchowy o zmodyfikowanej konstrukcji oraz zastosowano go w przenośniku ścianowym RYBNIK-850 (Rys. 11). Jest on obecnie eksploatowany już w drugim wyrobisku ścianowym w KWK „Chwałowice”. Obserwacje ruchowe w warunkach eksploatacyjnych oraz kontrola stopnia zużycia bębna łańcuchowego o zmodyfikowanej stereometrii potwierdzają przydatność przyjętych założeń oraz zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych.