Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Бэкстоп (обгонная муфта-холдбэк, anti-runback device) — обязательный элемент привода наклонного ленточного, цепного или ковшового конвейера. Его функция — автоматически блокировать обратное вращение приводного вала при остановке двигателя или потере питания, удерживая загруженную часть транспортёра от самопроизвольного съезда вниз под действием силы тяжести. Корректный подбор бэкстопа — это в первую очередь правильный расчёт удерживающего момента и согласование скоростного режима с типоразмером муфты. Ошибка в выборе на одну ступень типоразмера приводит к разрушению муфты при первой же аварийной остановке загруженного конвейера. Соответственно, методики подбора отработаны производителями (Stieber, Ringspann, Tsubaki, Renold, Marland) и стандартизованы CEMA (Conveyor Equipment Manufacturers' Association) и DIN 22101 в части расчёта тяговых характеристик ленточных конвейеров. В статье разобрана последовательность подбора с расчётом крутящего момента, выбором серии по скоростному диапазону, учётом многоприводной компоновки и динамических пиков.
Установка устройства защиты от обратного хода требуется в двух случаях: при превышении критического угла наклона конвейера и при наличии значительной приводной мощности на наклонной трассе. Эти критерии независимы — выполнение любого из них требует наличия бэкстопа.
Минимальный угол, при котором конвейер способен самопроизвольно начать движение в обратном направлении, определяется из условия превышения гравитационной составляющей нагрузки над сопротивлением движению. Для ленточного конвейера условие самопроизвольного обратного хода:
tan α > fэкв
где α — угол наклона трассы; fэкв — эквивалентный (гипотетический) коэффициент сопротивления движению, определяемый по DIN 22101.
По DIN 22101:2011 (раздел 6.2.3) гипотетический коэффициент сопротивления f для типовых ленточных конвейеров с роликовыми опорами лежит в диапазоне 0,020–0,030 в зависимости от состояния роликов, температуры и материала. Это даёт критический угол около 1,1–1,7°. Однако в реальной практике закладывают существенный запас по безопасности: установка бэкстопа становится обязательной при угле наклона свыше 3–5°. Этот запас учитывает изменение коэффициента сопротивления со временем, разные режимы загрузки и неоднородность распределения материала по ленте.
Согласно общеотраслевой практике в США и Европе, на наклонных конвейерах с мощностью приводного двигателя более 30–40 кВт рекомендуется применять низкоскоростные бэкстопы, устанавливаемые непосредственно на валу головного барабана. Это связано не только с тяжёлыми последствиями возможного обратного хода (опрокидывание грузов, повреждение редукторов, опасность для персонала), но и с ограничением износа: при низких оборотах основного вала режим работы муфты благоприятнее.
Независимо от угла и мощности, бэкстоп обязателен при перемещении материалов с высокой удельной массой (руды, уголь, цемент, гранит, металлоконцентраты), при работе ковшовых элеваторов (полная масса столба ковшей с материалом действует на привод даже на относительно небольшом подъёме), при многосекционных овершэндовых конвейерах с переходами «подъём-спуск», при работе в подземных горных выработках. Для таких узлов отказ бэкстопа классифицируется как событие, способное вызвать катастрофические последствия, и подбор сопровождается дополнительной проверкой со стороны технологов и специалистов по охране труда.
Исторически на конвейерных приводах применялись три принципиально разных схемы устройства защиты от обратного хода. Современный стандарт — обгонная муфта (overrunning clutch); более старые конструкции (храповик с собачкой, дифференциальный тормоз) применяются ограниченно и преимущественно на малых и средних узлах.
На современных промышленных конвейерах применяются почти исключительно обгонные муфты на клиновых элементах (sprag) либо на роликах на наклонных плоскостях (cam-roller). Оба типа классифицируются как «overrunning clutch backstop» и обеспечивают передачу момента без зазоров (без обратного люфта), что особенно важно при защите редукторов от обратного крутящего удара.
Различие между двумя конструкциями обгонных муфт принципиально для конвейерных применений и определяет область применения каждой.
Цилиндрические ролики установлены между гладким наружным кольцом и фасонным кулачковым внутренним кольцом (или наоборот). На внутреннем кольце выполнены равноотстоящие по окружности наклонные плоскости. При вращении в направлении свободного хода ролики удерживаются пружинами у узкого конца «клина», но не зажимаются. При попытке обратного вращения ролики смещаются в узкую часть, заклиниваются между поверхностями и передают момент. Конструкция характерна для типоразмеров с моментами до 30–50 кН·м.
Между двумя цилиндрическими кольцами установлены профильные клинья (sprags) с двумя радиусами кривизны — большим и малым. В исходном положении клин опирается на оба кольца по диаметрам, между которыми существует разница, обеспечивающая контактирование. В режиме свободного хода клин слегка отклоняется в положение с минимальным радиусом контакта, в режиме блокировки — в положение с максимальным радиусом, заклинивая кольца. Клиновые муфты способны передавать существенно более высокие моменты (до 700 000 Н·м и более), хорошо работают при высоких частотах вращения и обеспечивают режим центробежного отключения (centrifugal lift-off).
В высокоскоростных бэкстопах клинья оснащаются массой и пружиной так, что при достижении частоты вращения выше пороговой центробежные силы отбрасывают клинья от наружного кольца. В режиме свободного хода (нормальная работа конвейера в прямом направлении) клинья не касаются наружной обоймы и не подвержены износу. При снижении оборотов ниже порога центробежного отключения клинья возвращаются в исходное положение и муфта готова к мгновенному срабатыванию при попытке обратного вращения.
Этот принцип реализован в высокоскоростных сериях производителей (Stieber RDBK, Ringspann FXRT и FXRV, Marland) и обеспечивает длительный ресурс высокоскоростной муфты, расположенной на валу двигателя или промежуточном валу редуктора.
Место установки бэкстопа в трансмиссии — один из определяющих параметров выбора. От него зависят скоростной режим муфты, передаточное отношение между валом муфты и валом барабана конвейера, а также характер действующего на муфту крутящего момента.
Высокоскоростной бэкстоп устанавливается в случаях, когда требуется минимизировать массу и габариты муфты, а также при ограниченном пространстве у головного барабана. Производители (Stieber, Ringspann) выпускают высокоскоростные серии с центробежным отключением, которые многие десятилетия успешно работают на промежуточных валах редукторов главных приводов конвейеров большой длины.
Низкоскоростной бэкстоп предпочтителен в следующих случаях:
Статический момент обратного хода — это крутящий момент, действующий на приводной вал в направлении обратного вращения при отказе двигателя на загруженной наклонной трассе. Это базовая расчётная величина, по которой подбирается типоразмер бэкстопа. Величина определяется из равновесия сил на наклонной ленте.
Сила, тянущая загруженный участок конвейера обратно по наклонной плоскости:
Fg = mL · L · g · sin α
где mL — масса материала на единицу длины ленты, кг/м; L — длина наклонного участка с грузом, м; g — ускорение свободного падения, 9,81 м/с²; α — угол наклона трассы.
Часть гравитационной силы парируется сопротивлением движению ленты (силами трения в роликах, индентационным сопротивлением, изгибом ленты). По DIN 22101:
Fw = f · L · g · (mG + mL) · cos α
где f — гипотетический коэффициент сопротивления (0,020–0,030 по DIN 22101); mG — масса ленты и движущихся частей на единицу длины, кг/м.
Чистая результирующая сила, тянущая ленту в обратном направлении при отключённом двигателе:
Fобр = Fg − Fw = L · g · [mL · sin α − f · (mG + mL) · cos α]
Статический момент на валу головного барабана:
Mобр.бараб = Fобр · D / 2
где D — диаметр головного барабана, м.
Если бэкстоп установлен не на валу барабана, а на промежуточном или входном валу редуктора, момент приводится к валу муфты через передаточное отношение:
Mобр.бэкстоп = Mобр.бараб / i
где i — передаточное отношение от вала барабана до вала бэкстопа.
Это объясняет, почему высокоскоростные бэкстопы меньше по типоразмеру: момент на входном валу редуктора в i раз меньше момента на барабане, и при типичных значениях i = 15–25 высокоскоростная муфта работает с моментами в десятки раз ниже, чем низкоскоростная.
В практике многих производителей бэкстопов применяется упрощённый подбор по характеристикам приводного двигателя. Это удобно на этапе предварительного выбора, когда подробные данные о профиле трассы и нагрузке ещё не известны.
Mтр ≥ (P · kS · 9550) / n
где Mтр — требуемая нагрузочная способность бэкстопа, Н·м; P — номинальная мощность приводного двигателя, кВт; kS — коэффициент запаса (типовое значение 1,5 без ограничителя момента); n — частота вращения вала, на котором установлен бэкстоп, об/мин; 9550 — переводной коэффициент (≈ 60 000 / 2π) для пересчёта мощности в кВт и оборотов в об/мин в момент в Н·м.
Пример. Конвейер с приводом 950 кВт, бэкстоп устанавливается на быстроходном валу с n = 500 об/мин. Коэффициент запаса 1,5.
Mтр = (950 · 1,5 · 9550) / 500 = 27 218 Н·м ≈ 27,2 кН·м.
По этому моменту подбирается соответствующая серия и типоразмер из каталога производителя. Если фактический момент обратного хода загруженной ленты, рассчитанный по геометрии трассы, известен и существенно ниже расчётной величины по мощности двигателя — это резерв, который при наличии бэкстопа с ограничителем момента позволяет применить меньший типоразмер с экономией габарита и стоимости.
Современные высокоскоростные бэкстопы (Stieber RDBK, Ringspann FXRT с торкэ-лимитером) оснащаются встроенным фрикционным ограничителем момента, проскальзывающим при превышении заданного крутящего момента. Это позволяет:
Один из наиболее коварных аспектов подбора бэкстопа — недооценка динамических нагрузок при срабатывании. Когда двигатель отказывает и лента начинает движение в обратном направлении, в момент срабатывания бэкстопа в системе возникает крутильное колебание. Гибкость элементов трансмиссии (упругие муфты, упругость самой ленты, торсионная податливость валов и зубчатых передач) приводит к тому, что динамический пиковый момент на бэкстопе оказывается значительно выше статического.
По результатам исследований Ringspann (Timtner, Peak Torque Calculations for Backstops in Conveyors), коэффициент динамического усиления зависит от:
Для линейной системы пиковый момент при срабатывании равен удвоенному статическому моменту. Для системы с прогрессивной (нелинейной) торсионной характеристикой, типичной для современных приводов с эластичными муфтами, пиковый коэффициент может достигать 4–10. Расчёт Ringspann для конвейера длиной 1080 м с двумя бэкстопами на головном барабане при производительности 15 000 STPH (~13 600 т/ч) дал пиковый момент 350 кН·м при статическом 54 кН·м — динамический коэффициент 6,5.
Производители бэкстопов в техническом сопровождении продукции применяют разные подходы к выбору. Это обусловлено различиями в конструкции муфт (с ограничителем момента или без), традициями региональных школ инженерного расчёта и характером применений.
Все методики дают согласующиеся результаты при правильном применении. Выбор конкретного подхода определяется наличием детальной информации об установке: при подробных данных профиля трассы и торсионных характеристик трансмиссии методика Ringspann даёт самый точный результат; при недостатке данных надёжен подбор по моменту двигателя с запасом 1,5.
На длинных магистральных конвейерах часто применяются 2–3 (иногда более) приводных барабана. Каждый барабан может оснащаться собственным бэкстопом. В этом случае возникает вопрос распределения восстанавливающего момента между муфтами при их одновременной работе.
На практике установлено, что несмотря на формальную возможность равного распределения, фактическое распределение нагрузки между двумя бэкстопами на разных валах оказывается неравномерным из-за упругости ленты, зазоров в торсионных рычагах и других факторов. По рекомендациям Marland Clutch (более чем 30-летняя практика), для каждой из двух муфт, делящих нагрузку на одном валу, подбирается типоразмер по 70 % полного расчётного момента — то есть фактический коэффициент распределения 0,7, а не 0,5.
Tsubaki использует эквивалентный подход: для двух бэкстопов коэффициент распределения нагрузки принимается равным 1,7 (а не 2), то есть рабочий момент на каждой из муфт оценивается как полный момент, делённый на 1,7.
M1бэк = Mполный / 1,7
(подбор типоразмера каждой из двух муфт на одном валу)
При тандемной схеме с двумя приводными барабанами (основным и вторичным) рекомендации Tsubaki определяют:
Исходные данные:
Расчёт линейной массы материала:
mL = Q / v = 222 / 2,0 = 111 кг/м.
Гравитационная составляющая (для всей длины):
Fg = mL · L · g · sin α = 111 · 250 · 9,81 · sin(12°) = 56 600 Н ≈ 56,6 кН.
Сила сопротивления:
Fw = f · L · g · (mG + mL) · cos α = 0,025 · 250 · 9,81 · (50 + 111) · cos(12°) = 9 660 Н ≈ 9,66 кН.
Усилие обратного хода:
Fобр = 56,6 − 9,66 = 46,94 кН.
Статический момент на валу барабана:
Mобр.бараб = Fобр · D / 2 = 46 940 · 0,4 = 18 780 Н·м ≈ 18,8 кН·м.
Подбор низкоскоростного бэкстопа (на тихоходном валу редуктора или валу барабана):
С учётом запаса по методике Stieber с ограничителем момента (kS = 1,3):
Mтр.низк = 1,3 · 18 800 = 24 440 Н·м ≈ 24,4 кН·м.
Без ограничителя момента (kS = 1,5):
Mтр.низк = 1,5 · 18 800 = 28 200 Н·м ≈ 28,2 кН·м.
Подбор высокоскоростного бэкстопа (на быстроходном валу с n = 1480 об/мин):
Момент обратного хода, приведённый к валу двигателя:
Mобр.дв = Mобр.бараб / i = 18 800 / 28 = 671 Н·м.
С запасом 1,5: Mтр.высок = 1,5 · 671 = 1 007 Н·м ≈ 1,0 кН·м.
Проверка по мощности двигателя:
Mдвигатель = (75 · 9550) / 1480 = 484 Н·м.
С запасом 1,5 на стартовый бросок: Mтр.высок = 1,5 · 484 = 726 Н·м.
Из двух значений (от обратного хода ленты и от мощности двигателя) для подбора берётся большее — то есть 1 007 Н·м. По каталогу производителя выбирается высокоскоростной типоразмер с моментом не ниже 1 кН·м и допустимой частотой вращения свыше 1500 об/мин.
Этот пример показывает разницу в требуемом моменте между низкоскоростной и высокоскоростной муфтой: при i = 28 момент на быстроходном валу примерно в 18–28 раз меньше, чем на тихоходном (с учётом КПД редуктора), что определяет соответственно меньший типоразмер высокоскоростной муфты.
В практике поставщиков и эксплуатирующих организаций встречается несколько типичных ошибок, приводящих к разрушению бэкстопа в первые недели эксплуатации.
Тема подбора бэкстопа естественно расширяется в нескольких направлениях: применение в специальных типах конвейеров, обслуживание и замена, защита от внешних воздействий. Ниже подобраны материалы и каталожные позиции, дополняющие настоящую публикацию.
Однозначной нормативной границы нет; на практике установка бэкстопа обязательна при угле наклона свыше 3–5°. Теоретический критический угол, при котором гравитационная составляющая нагрузки сравнивается с силой сопротивления движению, по DIN 22101 при коэффициенте сопротивления 0,020–0,030 составляет около 1,1–1,7°. Запас от теоретического значения до практического порога 3–5° учитывает ухудшение свойств роликоопор со временем, разные режимы загрузки, локальные неоднородности распределения материала и человеческий фактор. Дополнительный критерий — мощность приводного двигателя свыше 30–40 кВт на наклонной трассе; в этом случае рекомендуется применять низкоскоростной бэкстоп даже при сравнительно небольших углах.
Зависит от мощности и ответственности применения. Для конвейеров до 30–40 кВт высокоскоростной бэкстоп на валу двигателя или на промежуточном валу редуктора — компактное и экономичное решение, в нём момент в 15–30 раз меньше, чем на барабане, и типоразмер существенно меньше. Для конвейеров большой мощности и тяжёлых горнодобывающих применений предпочтителен низкоскоростной бэкстоп непосредственно на валу головного барабана: он защищает не только конвейер, но и редуктор от обратного крутящего удара. На очень крупных установках применяют сочетание: основной бэкстоп на низкоскоростном валу плюс дополнительный высокоскоростной на одном из промежуточных валов редуктора для двойной защиты.
Для стандартного подбора без ограничителя момента — 1,5 от расчётного момента обратного хода или от заторможенного момента двигателя. Для бэкстопов с встроенным ограничителем момента, способным проскальзывать при превышении заданной величины — 1,3 от восстанавливающего момента ленты, что позволяет применить меньший типоразмер за счёт гашения динамических пиков. В системах с эластичными муфтами и торсионным люфтом без ограничителя момента запас может потребоваться значительно большим, вплоть до коэффициента 3,5 (методика Ringspann), учитывающего реальный динамический коэффициент усиления.
Центробежное отключение — это конструктивная особенность высокоскоростных бэкстопов, при которой клинья (sprags) или ролики при достижении частоты вращения выше пороговой отбрасываются от наружного кольца под действием центробежных сил. В этом режиме элементы муфты не контактируют с наружной обоймой и не подвержены износу. При снижении оборотов ниже порога они возвращаются в исходное положение и готовы мгновенно сработать при попытке обратного вращения. Эта особенность критична для высокоскоростных бэкстопов на валу двигателя или промежуточных валах: без центробежного отключения клинья непрерывно скользят по наружному кольцу в течение всей работы конвейера и быстро изнашиваются.
Когда бэкстоп срабатывает, в момент остановки лента и приводная трансмиссия имеют запасённую кинетическую энергию (движение в обратном направлении до момента блокировки) и упругую энергию (растяжение торсионных элементов). При резком блокировании эта энергия преобразуется в крутильное колебание системы. Для линейной системы пиковый момент равен удвоенному статическому. Для системы с прогрессивной (нелинейной) торсионной характеристикой, обычной при наличии эластичных муфт с резиновыми элементами и зазоров в зубчатых передачах, динамический коэффициент достигает 4–10. Это явление подробно описано в работе Timtner (Ringspann); там же показан расчёт для конвейера длиной 1080 м, где статический момент 54 кН·м даёт динамический пик 350 кН·м (коэффициент 6,5).
В практике распределение неравномерно из-за упругости ленты, зазоров в торсионных рычагах и температурных деформаций. Поэтому для подбора типоразмера каждой из двух муфт на одном валу применяется коэффициент распределения 1,7 (по рекомендациям Tsubaki), либо каждая муфта подбирается на 70 % полного расчётного момента (по практике Marland Clutch). То есть для двух муфт на одном валу типоразмер каждой подбирается по моменту, равному полному расчётному моменту, делённому на 1,7. В тандемной схеме с двумя приводными барабанами (основным и вторичным) бэкстоп на основном барабане подбирается по полному моменту, на вторичном — только по моменту вторичного двигателя, без сложения.
В общем случае — нет. Конвейерный бэкстоп — это специализированное исполнение обгонной муфты с конструктивными особенностями: торсионный рычаг для восприятия реакции на корпусе, посадочные размеры под валы конвейерных редукторов, материал и термообработка элементов под высокие моменты, уплотнения для тяжёлых условий эксплуатации. Стандартная индексирующая или обгонная муфта (например, общепромышленного применения для безотказного провёртывания шкивов) рассчитана на циклическую работу с малыми моментами и непригодна для удерживающей функции. Для конвейеров применяются специализированные серии: Stieber FXM/FXRT/FXRV/RDBK, Ringspann FXM/FXRT, Renold SH, Marland BC, Tsubaki BS.
Для большинства промышленных бэкстопов производители рекомендуют минеральные масла с присадками против износа класса вязкости ISO VG 100–220 (для холодных климатических условий — VG 68) либо синтетические масла для расширенных температурных диапазонов. Пластичные смазки в большинстве конструкций не рекомендуются: они не обеспечивают свободного движения клиньев и роликов на высоких оборотах и не работают в фрикционных пакетах ограничителей момента. Точный сорт и интервал замены смазки указан в руководстве по эксплуатации конкретной серии. При работе в горячих узлах применяются специальные термостойкие смазки.
В общем случае — нет, на чисто горизонтальном конвейере (угол 0°) обратное движение под действием силы тяжести невозможно. Однако существуют ситуации, когда бэкстоп ставят и на горизонтальных конвейерах: при ударных или пульсирующих нагрузках — для предотвращения локального просадка ленты между опорами при остановках; при загрузке материала на головной части конвейера, способного вызывать неравномерное натяжение; при сложной трассе с участками подъёма и спуска, где суммарная статическая нагрузка может развернуть направление движения. Решение принимается по результатам расчёта тяговых сил с учётом всех режимов эксплуатации.
Возможны два сценария разрушения. Первый — при аварийной остановке загруженной трассы: муфта блокируется, но статический момент обратного хода превышает её удерживающую способность. Клинья или ролики срабатывают на излом, кольца муфты повреждаются необратимо, лента съезжает вниз с разрушительными последствиями. Второй — при срабатывании с динамическим пиком: муфта удерживает статический момент, но не выдерживает мгновенного динамического коэффициента 4–10. Разрушение происходит в первые миллисекунды после блокировки. В обоих случаях разрушение бэкстопа — это последовательная цепь повреждений: муфта, шпонки и шлицы валов, редукторы, оборванная конвейерная лента, потенциально — гибель материала и опасность для персонала. Поэтому при сомнении в правильности расчёта всегда выбирается больший типоразмер.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.