Цепи тяговые скребковые

Цепи тяговые скребковые: конструкция, материалы, применение и расчет

Цепи тяговые скребковые представляют собой специализированный тип цепных передач, предназначенный для транспортировки сыпучих, кусковых и штучных материалов по стационарным желобам или трубам. Их основное функциональное отличие от стандартных тяговых цепей заключается в наличии жестко закрепленных скребков (ковшей, планок), которые непосредственно воздействуют на груз, перемещая его волочением или в объеме между скребками. Данный вид цепей является ключевым элементом скребковых конвейеров и элеваторов, широко применяемых в горнодобывающей, энергетической (топливоподача на ТЭЦ), металлургической, химической и сельскохозяйственной отраслях.

Конструктивные особенности и составные элементы

Конструкция тяговой скребковой цепи формируется из базовой тяговой цепи и присоединенных к ней скребковых элементов. Рассмотрим компоненты детально.

1. Тяговая цепь

Основа, воспринимающая все растягивающие нагрузки. В скребковых конвейерах применяются преимущественно два типа:

• Втулочно-роликовые и втулочные цепи повышенной прочности (серии M, FV, S и др.). Используются в конвейерах средней производительности. Ролик или втулка обеспечивают качение по направляющим, уменьшая трение. Материал — высокопрочные стали марок 45, 40Х, 45ХН, 40ХНМА с последующей термообработкой (закалка, цементация) рабочих поверхностей.
• Цепи специального исполнения (разборные, круглозвенные, блочные). Применяются в тяжелых условиях (абразивный износ, ударные нагрузки, агрессивная среда). Например, круглозвенные цепи из прутка диаметром до 30 мм и более обладают высокой ремонтопригодностью и износостойкостью за счет увеличенной площади контакта.

2. Скребковый элемент

Изготавливается из листовой или профильной стали (чаще всего Ст3, 09Г2С, износостойкие стали Hardox, а также полимерные композиты для легких условий). Крепление к цепи осуществляется через специальные звенья (промежуточные пластины с отверстиями), приварными хомутами или болтовым соединением. Форма скребка определяет тип конвейера:

• Скребки высотой, соизмеримой с высотой желоба — для объемного волочения груза (конвейеры с высоким скребком).
• Низкие скребки — для перемещения слоя материала у днища желоба.
• Контурные скребки — повторяющие форму трубы, для создания сплошной перемычки в трубчатых конвейерах.

3. Соединительные и крепежные элементы

Включают пальцы, втулки, ролики, стопорные кольца, а также специальные переходные звенья для фиксации скребка. Все элементы должны иметь коррозионную стойкость и износостойкость, сопоставимую с основной цепью.

Классификация и типы скребковых цепей

Классификация осуществляется по нескольким ключевым параметрам.

По типу тяговой цепи:

• Катковые (роликовые) разборные цепи.
• Неразборные втулочно-роликовые цепи (ГОСТ 588-81, ISO 1977).
• Круглозвенные цепи (ГОСТ 2319-81).
• Блочные цепи (с приваренными скребками).

По расположению скребка:

• Цепи с односторонними скребками (для горизонтальных и пологонаклонных трасс).
• Цепи с двухсторонними скребками (для реверсивного движения или конвейеров с переменным направлением наклона).

По характеру работы конвейера:

• Цепи для конвейеров непрерывного действия (основная масса применений).
• Цепи для конвейеров циклического действия (пуш-пал, челноковые подачи) — испытывают знакопеременные нагрузки.

Материалы и технологии изготовления

Качество и долговечность цепи определяются материалом и технологией упрочнения.

Таблица 1. Материалы и обработка компонентов скребковой цепи

Элемент цепи	Материал (марка стали)	Вид термообработки	Твердость поверхности, HRC	Цель обработки
Пластина (щека)	45, 40Х, 45ХН, 40ХНМА	Объемная закалка + отпуск	38-45	Повышение прочности на растяжение и усталостной выносливости
Палец, втулка, ролик	15Х, 20Х, 20ХНМ (цементуемые); 40Х, 45 (улучшаемые)	Цементация + закалка + низкий отпуск; Закалка ТВЧ + отпуск	55-62 (поверхность); 45-50	Повышение поверхностной износостойкости при сохранении вязкой сердцевины
Скребок (базовый)	Ст3, 09Г2С	Нет или нормализация	Не регламентируется	Формование, сварка
Скребок (износостойкий)	Hardox 400-500, Quard, литье 110Г13Л (Гадфильда)	Закалка, наклеп	400-500 HB (для Hardox)	Максимальная абразивная стойкость в тяжелых условиях

Дополнительные технологии повышения срока службы:

• Объемная закалка в масле для пластин и валов.
• Поверхностная закалка ТВЧ (токами высокой частоты) для пальцев и втулок — создает твердый поверхностный слой при вязкой сердцевине.
• Химико-термическая обработка (цементация, азотирование) для деталей трения.
• Наплавка твердыми сплавами на рабочую кромку скребка или поверхность пластин.
• Гальванические покрытия (цинкование, хромирование) для защиты от коррозии в условиях повышенной влажности.

Основные параметры и расчетные характеристики

Выбор и расчет скребковой цепи — комплексная инженерная задача, учитывающая условия эксплуатации.

Ключевые параметры:

• Шаг цепи (t): от 80 до 500 мм и более. Увеличение шага повышает нагрузочную способность, но требует большего диаметра звездочек и ведет к пульсации скорости.
• Разрушающая нагрузка (Q): минимальная нагрузка, при которой цепь разрушается. Основная прочностная характеристика, указываемая в каталогах (кН).
• Допускаемое рабочее усилие [S]: рассчитывается как [S] = Q / n, где n — коэффициент запаса прочности. Для скребковых цепей n обычно принимается не менее 6-10, учитывая динамические и ударные нагрузки.
• Линейная масса (q_ц): масса одного погонного метра цепи со скребками (кг/м). Важна для расчета тягового усилия.
• Скорость движения (v): обычно в диапазоне 0,2–1,0 м/с. Высокие скорости ведут к ускоренному износу и повышенному динамическому воздействию на груз.

Упрощенный алгоритм расчета тягового усилия:

Тяговое усилие на приводной звездочке (F, Н) складывается из нескольких составляющих:

• F1 — сопротивление движению груза по желобу.
• F2 — сопротивление движению ходовой части (цепи со скребками).
• F3 — сопротивление от зачерпывания груза.
• F4 — дополнительные сопротивления (на криволинейных участках).

Общее усилие: F = k

• (F1 + F2 + F3 + F4), где k — коэффициент запаса (1.1–1.2).

F1 = q_г g L

• ω_г;

F2 = q_ц g L

• ω_ц;

где q_г — погонная масса груза (кг/м), g — ускорение свободного падения (9.81 м/с²), L — длина конвейера (м), ω_г, ω_ц — коэффициенты сопротивления движению груза и цепи (0.4–0.8 в зависимости от условий).

Таблица 2. Рекомендуемые коэффициенты запаса прочности (n) для цепей

Условия работы конвейера	Тип привода	Коэффициент запаса прочности, n
Спокойная нагрузка, однородный абразивный износ	Электромеханический, плавный пуск	6-8
Ударная нагрузка, неоднородный материал, влажная среда	Электромеханический, прямой пуск	8-10
Особо тяжелые условия, наличие коррозии, высокие динамические нагрузки	Гидравлический или с муфтой предельного момента	10-12 и более

Области применения и особенности эксплуатации

Скребковые цепи используются в механизмах, где требуется перемещение материала в замкнутом или полузамкнутом коробе.

Основные области:

• Топливоподача на объектах энергетики: транспортировка угля, сланца, биомассы от разгрузочных пунктов к бункерам котлов. Ключевые требования: пожаробезопасность, искробезопасность, высокая износостойкость.
• Горнодобывающая промышленность: доставка руды, угля, породы в очистных забоях и проходке. Преобладают круглозвенные и специальные высокопрочные цепи.
• Металлургия: транспортировка окалины, стружки, мелкокусковых отходов, пыли в системах аспирации.
• Химическая и сельскохозяйственная промышленность: перемещение гранулированных, порошкообразных материалов (удобрения, зерно). Важна стойкость к коррозии и чистота поверхности.

Эксплуатационные проблемы и пути их решения:

• Абразивный износ: основной вид отказа. Борьба: применение цепей с упрочненными поверхностями, наплавкой, регулярная смазка специализированными составами, снижение скорости.
• Усталостное разрушение: возникает от циклических нагрузок. Борьба: правильный расчет с запасом, использование цепей из сталей с высокой усталостной прочностью, контроль состояния дефектоскопией.
• Коррозия: ускоряет износ и снижает прочность. Борьба: применение цепей из нержавеющих сталей (например, 12Х18Н10Т) или с защитными покрытиями, использование сухих смазок.
• Перекос и заедание: из-за несоосности звездочек, износа направляющих. Борьба: точный монтаж, использование цепей с роликами, регулярная проверка геометрии трассы.

Монтаж, обслуживание и диагностика

Правильный монтаж и ТО критически важны для ресурса цепи.

Этапы монтажа:

1. Проверка соответствия цепи паспортным данным (шаг, длина, комплектность).
2. Контроль состояния и соосности приводной, натяжной и отклоняющих звездочек, а также прямолинейности направляющих.
3. Сборка цепи на месте (если цепь поставлялась в барабанах) с использованием специальных соединительных (замыкающих) звеньев. Запрещается наращивание цепи звеньями от других типов или производителей.
4. Натяжение цепи. Правильное натяжение — когда цепь имеет небольшой провис (≈2% от длины ветви), свободно огибает звездочки без заеданий. Чрезмерное натяжение ведет к росту нагрузки на валы и ускоренному износу шарниров.
5. Пробный пуск вхолостую, затем под нагрузкой.

Регламентное обслуживание:

• Ежесменный осмотр: визуальная проверка на отсутствие трещин, критического износа, целостность скребков, состояние смазки.
• Периодическая смазка: интервал зависит от условий. Используются специальные цепные пластичные смазки, стойкие к смыванию и абразиву. Важно смазывать шарниры без избытка, чтобы не налипала пыль.
• Контроль износа: замер увеличения шага цепи на контрольном участке (обычно 10-20 звеньев). Превышение удлинения на 2-3% от номинала — сигнал к замене.
• Регулировка натяжения: компенсация вытяжки за счет натяжных устройств (винтовых, пружинно-винтовых, грузовых).

Тенденции развития и инновации

• Использование новых материалов: композитные скребки (полиуретан, нейлон с армированием) для снижения шума, веса и коррозии; керамические покрытия для износостойкости.
• Внедрение систем мониторинга состояния: датчики, встроенные в соединительные звенья, для онлайн-контроля натяжения, температуры, усталостных повреждений.
• Совершенствование геометрии: оптимизация формы скребка и шарнира цепи с помощью CFD и FEM-моделирования для снижения сопротивления и равномерного распределения нагрузки.
• Модульность конструкций: цепи с быстросъемными скребками для упрощения замены изношенных элементов без демонтажа всей тяговой системы.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Как определить, что скребковую цепь пора менять?

Критерии замены: увеличение шага цепи более чем на 2-3% на измеряемом участке; появление видимых трещин, сколов, глубоких рисок на пластинах; критический износ пальцев и втулок (увеличение диаметра отверстия пластины более чем на 10%); деформация или износ скребков более 50% от первоначальной толщины; обрыв любого элемента цепи.

2. Можно ли соединять цепи разных производителей или с разным шагом?

Категорически не рекомендуется. Даже цепи с одинаковым номинальным шагом от разных производителей могут иметь различия в допусках, твердости и геометрии шарнира. Это приводит к неравномерному распределению нагрузки, ускоренному износу и риску внезапного разрушения.

3. Как правильно выбрать смазку для скребковой цепи в условиях сильного запыления?

Следует применять специальные адгезионные пластичные смазки с высоким содержанием твердых смазочных веществ (графит, дисульфид молибдена). Они обладают свойством удерживаться на поверхности, не стекать и создавать защитную пленку, устойчивую к абразивному воздействию пыли. Смазка на основе лития или кальция с добавками EP (Extreme Pressure) является распространенным выбором.

4. Что эффективнее для борьбы с абразивным износом: увеличение твердости или применение наплавки?

Оба метода имеют свою нишу. Увеличение объемной твердости (закалка) эффективно для общего повышения износостойкости всех элементов цепи. Наплавка твердыми сплавами (например, сормайт) целесообразна для локальной защиты наиболее изнашиваемых поверхностей — кромок скребков, рабочих граней пластин. Часто используют комбинированный подход: твердость сердцевины + твердая наплавка.

5. Как рассчитать необходимую длину цепи для конвейера?

Длина цепи (L_ц) рассчитывается по формуле: L_ц = 2 L_тр + π D_зв / 2 + N

• t, где L_тр — длина прямой трассы между осями звездочек (м), D_зв — диаметр делительной окружности приводной звездочки (м), N — количество зубьев звездочки, t — шаг цепи (м). Формула учитывает прямые участки и огибание звездочек. На практике всегда добавляют запас 1-2 звена для компенсации монтажных погрешностей и обеспечения регулировки натяжения.

6. Каковы основные причины «сползания» цепи со звездочек?

Основные причины: несоосность приводной и натяжной звездочек; неравномерный износ зубьев звездочки или шарниров цепи, приводящий к несовпадению шага; чрезмерное ослабление натяжения цепи; деформация вала звездочки; налипание материала на зубья, изменяющее их профиль.