Pas transmisyjny - tajemniczy fundament ery przemysłowej

Paradoks centrowania się pasa na baryłkowym kole pasowym.

flickr.com/photos/elsie/

Przekładnie pasowe z pasem płaskim swoje największe sukcesy odnosiły w 19 wieku i w początkach 20 wieku.  Przenosiły napęd z silników parowych na maszyny włókiennicze czy rolnicze młockarnie. Stare ryciny przedstawiają maszyny parowe z pasem transmisyjnym,  klimat niczym w filmie „Ziemia obiecana” :-). Obecnie przekładnie cięgnowe łańcuchowe, klinowe czy z pasem zębatym wyparły przekładnie pasowe z funkcji przeniesienia napędu. W dzisiejszych czasach przekładnie z pasem płaskim stosuje się w przenośnikach, liniach produkcyjnych, taśmociągach górniczych. Pasy i taśmy prowadzone na cylindrycznych kołach zsuwały się i spadały z kół, konieczne było stosowanie bocznych kołnierzy na kole pasowym. Kołnierze miały istotną wadę ścierały boki pasa. Zastosowanie kół o kształcie baryłkowym lub walcowo-stożkowym rozwiązało ten problem.  Kiedy pas lub taśma przenośnika jest położona nie w osi symetrii kół pasowych, to po uruchomieniu napędu, szybko się samo centruje, wspinając się w kierunku większych średnic.

Ten wynalazek to kwintesencja i fundament rewolucji przemysłowej. Podwalina pod przenośniki, które nierozerwalnie kojarzą się z taśmami produkcyjnymi i industrializacją. Zarazem jest to mechanizm niezwykle tajemniczy, literatura na jego temat jest niezmiernie uboga, a wszelkie teorie i modele fizyczne są pomijane milczeniem. Swego czasu miałem nawet wrażenie, że kiedyś wiedziano jakie są zależności matematyczne, równania na prawidłowe wykonanie kół baryłkowatych, jednak ta wiedza odeszła w zapomnienie wraz erą industrializacji.

Baryłkowość jest więc niezwykle ważna dla stabilnej pracy przekładni pasowej bądź przenośnika taśmowego. Taśma przenośnika automatycznie się centruje, sama się prowadzi i nie spada z bębnów (kół pasowych).Przenośnik lub przekładnia z baryłkowatym kołem pasowym nie potrzebuje dodatkowych prowadnic taśmy, ani kołnierzy zapobiegających zsuwaniu się taśmy. Dzięki temu budowa urządzenia jest prostsza, koszt wykonania niższy, do tego stabilność pracy jest wyższa, prawdopodobieństwo awarii niższe, a więc i koszty utrzymania i napraw zminimalizowane.

Jak to się dzieje, że pas transmisyjny z przenośnika nie spada? To jest właśnie paradoks. Na pierwszy rzut oka pas powinien się natychmiast zsuwać z przenośnika w kierunku niższych średnic. Nawet zasada minimalizacji energii potencjalnej wskazywałaby, że napięta taśma przenośnikowa (odpowiednik sprężyny). Powinna on przechodzić w położenie o niższej energii potencjalnej, a więc o mniejszej średnicy. Wniosek jest następujący, że istnieje dodatkowa, nieoczywista na pierwszy rzut oka siła centrująca taśmę na bębnie baryłkowatym lub pas płaski na kole pasowym baryłkowatym. 

Mamy więc w układzie siłę sprężystą naprężenia taśmy, oraz siłę tarcia. Gdyby współczynnik tarcia wyzerować, nie byłoby w układzie siły tarcia, to położona nie centralnie taśma natychmiast by się zsunęła z przenośnika.

Załóżmy, że pas pracuje na dwóch kołach, których osie się krzyżują jak na przedstawionym rysunku. Czy pas zsunie się ma prawo, gdzie naprężenie taśmy jest wyższe, czy może w lewo w stronę mniejszego naprężenia? Z pewnością pas przenośnika zachowa się przeciwko państwa intuicji. Postawiony w ten sposób problem właściwie jest sprzeczny z intuicją. Z mojej praktyki inżynierskiej wynika, że  pas może zachować się na oba sposoby. To czy spadnie czy nie, zależy od naprężenia pasa. Można sobie nawet wytłumaczyć to logicznie podążając w kierunku warunków brzegowych hipotetycznego równania. Jeśli pas będzie nie napięty wręcz luźny spadnie, jeśli go z całej siły napniemy to zedrzemy go z koła pasowego, w obu przypadkach zejdzie na lewą stronę.Pas nie spada z przenośnika przy odpowiednim naprężeniu. Właściwe naprężenie pasa to najmniejsze naprężenie przy którym pas nie ślizga się względem koła pasowego.Wyjaśnienie zjawiska jest następujące. Przetnijmy myślowo pas położony nie centralnie.  Po przejściu przez koło pasowe, taśma zawija się  na powierzchniach stożkowych do wewnątrz w kierunku osi centralnych kół pasowych. Więcej taśmy jest po stronie w którą zsunęła się taśma i właśnie ta część taśmy większą siłą napiera w kierunku osi symetrii kół pasowych. Efekt jest taki, że taśma centruje się na przenośniku, zjawisko jest automatyczne i stabilne. Zjawisko samonaprowadzania taśmy na przenośniku jest stabilne pod warunkiem, że taśma jest odpowiednio napięta, a osie kół pasowych nie zanadto scentrowane. W praktyce trzeba dbać o prawidłowe ustawienie bębnów przenośnika, w przenośnikach górniczych o długościach mierzonych w kilometrach, stosuje się laserowe urządzenia celujące i mierzące odległości, w celu dokładnego ustawienia bębnów względem siebie. Istnieje również rozwiązanie z samonaprowadzającym się bębnem zwrotnym przenośnika.