1

Maszyny dźwigowe

Urządzenia dźwigowo-przeładunkowe

Systemy transportowe - transport bliski

BADANIE ZDERZAKÓW SUWNICBADANIE ZDERZAKÓW SUWNIC

Cel i zakres ćwiczenia

• PrzybliŜenie wybranych zagadnień dotyczących obciąŜeń wyjątkowych dźwignic wywołanych siłami uderzenia o zderzaki, doboru zderzaków, wyznaczania energii uderzenia o odboje oraz określania charakterystyk eksploatacyjnych zespołów amortyzujących.

• Praktyczne zapoznanie z metodyką doświadczalnego wyznaczania charakterystyk statycznych dla zespołów amortyzatorów gumowych oraz wykonanych elastomerów poliuretanowych, a takŜe próby funkcjonalne tych amortyzatorów na stanowisku doświadczalnym umoŜliwiaj ącym symulację rzeczywistych warunków ich pracy.

Wprowadzenie – obciąŜenia wywołane siłami uderzenia o zderzakiKolizyjne najazdy zderzakami na odboje lub zderzakiwspółpracującej dźwignicy na tym samym

torowisku jezdnym zaliczane są do grupy obciąŜeń wyjątkowych dźwignic.Siły w konstrukcji nośnej dźwignicy, wg PN-ISO 8686-1, oblicza się na podstawie energii kinetycznej

wszystkich mających znaczenie części dźwignicy, poruszającej się na ogół z prędkością od 0,7 do 1 prędkości nominalnej.

Gdy dźwignica lub jej części są zabezpieczone przed obrotem, na przykład szynami, moŜna przyjąć, Ŝe ugięcia zderzaków są jednakowe, gdy ich charakterystyki są podobne i wówczas wystąpią jednakowe siły uderzenia o zderzak (rys. 1a).

W przeciwnym przypadku, siły uderzenia w zderzaki oblicza się biorąc pod uwagę rozkład występujących mas oraz charakterystyki zderzaków (rys. 1b).

Rys. 1a Rys. 1bPrzykłady sił uderzenia w zderzaki i ugięć zderzaków (dotyczy suwnicy na 4 kołach); Rys 1a) urządzenie

prowadzone poziomo po szynach (u2=u4), Rys. 1b) urządzenie nie zabezpieczone przed obrotem (Fy3=Fy4=0)

Uwaga: przyjęcie niŜszych wartości prędkości ruchu dźwignicy w algorytmach wyznaczania siły uderzenia jest uzasadnione, gdy stosuje się specjalne zabezpieczenia, jak automatycznie działające ograniczniki ruchu o sprawdzonej niezawodności lub, gdy ograniczone są konsekwencje wywołane siłą uderzenia w zderzak.

Siły wywołane kolizją dźwignicy wyposaŜonej w zderzaki -współczynnik φφφφ7

Siły wywołane kolizją dźwignicy wyposaŜonej w zderzaki (dźwignica traktowana jest tutaj jako model ciała sztywnego), naleŜy pomnoŜyć przez współczynnik φφφφ7, który uwzględnia wpływy spręŜystości.

Zgodnie z PN-ISO oraz PN-EN, naleŜy przyjmować następujące wartości współczynników Ф7:

a) Ф7=1,6 dla zderzaków o prostokątnej charakterystyce. b) Ф7=1,25 dla zderzaków o liniowej charakterystyce

Dla zderzaków o innych charakterystykach, przyjęte wartości współczynników naleŜy uzasadnić obliczeniowo lub doświadczalnie. Pośrednie wartości współczynników Ф7 naleŜy obliczać: a) φφφφ7 = 1,25 dla 0 ≤≤≤≤ ξξξξ ≤≤≤≤ 0,5; b) φφφφ7=1,25 + 0,7 (ξξξξ - 0,5) dla 0,5 ≤≤≤≤ ξξξξ ≤≤≤≤ 1; gdzie wartość ξξξξ pokazana jest na rys. 2

Rys. 2 Współczynnik 7φ gdzie:du

ˆˆ1 ˆ

∫=u

o

bFuF

ξξξξξ - względna energia zderzaka; Fb - siła w zderzaku; u - skok zderzaka;

uF ˆ,ˆ - wartości maksymalne.

Uwaga: Siły uderzenia w zderzaki oblicza się bez uwzględnienia swobodnie zawieszonego ładunku, ruch poziomy nie jest ograniczony(swobodne wahanie). Jednak, w przypadkach, gdy prędkość ruchu jest zredukowana zanim nastąpi kolizja ze zderzakami, moŜe zaistnieć sytuacja, Ŝe największa amplituda wahań ładunku występuje równocześnie ze ściskaniem zderzaków. Wówczas siły poziome zwiększa się o masę zawieszonego ładunku pomnoŜoną przez opóźnienie ruchu dźwignicy zanim nastąpił kontakt ze zderzakami.

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

2

Wyznaczenie energii uderzenia oraz warunek doboru zderzaka wg zaleceń normowych ZN-85/1232 (DETRANS)

Wg DETRANS, przyjmuje się, Ŝe prędkość uderzenia Vu jest prędkością, z jaką uderza zderzak suwnicy w odbój lub w zderzak innej dźwignicy:

• dla mechanizmów jazdy wyposaŜonych w hamulec noŜny prędkość uderzenia Vu przyjmuje się równą prędkości minimalnej jazdy dźwignicy Vj, czyli Vu = Vj;

• dla mechanizmów jazdy wyposaŜonych w hamulec automatyczny oraz wyłączniki krańcowe lub zabezpieczenia przed zderzeniem prędkość uderzenia Vu przyjmuje się równą prędkości jazdy dźwignicy lub części tej prędkości po zadziałaniu wyłączników krańcowych jednak nie mniej niŜ połowę prędkości nominalnej jazdy dźwignicy 0,5Vj≤≤≤≤Vu≤≤≤≤Vj.

Masę biorącą udział w zderzeniuokreśla się w zaleŜności od sposobu zawieszenia elementu chwytnego: jeŜeli element chwytny, zblocze hakowe, chwytak, trawers zawieszony jest swobodnie na cięgnach, to do masymo nie wlicza się masy nosiwa i masy elementu chwytnego, jeŜeli element chwytny posiada sztywne prowadzenie związane z ramą wózka (kleszcze suwnic kleszczowych, trawers łapowy suwnic łapowych, dyszel z kabiną suwnic wsadowych itp.), to wówczas do masy mo wlicza się masę nosiwaoraz masę elementu chwytnego.

JeŜeli środek cięŜkości masy biorącej udział w zderzeniu leŜy w środku między punktami, w których umieszczono zderzaki, lub, gdyśrodek cięŜkości zmienia się (róŜne usytuowanie wciągarki na suwnicy, róŜne usytuowanie części obrotowej Ŝurawia itp.) naleŜy przyjmować wówczas największą moŜliwą wartość masy mo. Wartość masy przypadająca na punkty, w których umieszczone są zderzaki określa się z warunku równowagi ich momentów statycznych względem punktu wyznaczonego przez rzut środka cięŜkości na linię łączącą te punkty.

Energia przenoszona przez jeden zderzak(jeden odbój)- przy prędkości uderzenia Vu, masy mobiorącej udział

w uderzeniu, określona jest zaleŜnością: E=0,5* m0* vu2

Dobrany zderzak powinien spełniać następujący warunek: E ≤ ≤ ≤ ≤ Emax,gdzie: E- energia uderzenia przypadająca na odbój, Emax- energia maksymalna, jaką moŜe przenieść dobrany zderzak lub układ zderzaków we współpracy z elementami spręŜystymi znajdującymi się na odboju.

Układy zderzaków na jednym odboju

ZaleŜność energii uderzenia E, siły uderzenia P i ugięcia zderzaków f od układu zderzaków na jednym odboju podano w tablicy 1:

E1 -energia przypadająca na jeden zderzak wchodzący w skład układu na jednym odboju,F1 -ugięcie jednego zderzaka wchodzącego w skład układu na jednym odboju,P1 -siła przypadająca na jeden zderzak wchodzący w skład układu na jednym odboju.Wartość f1 i P1 dla odpowiedniej wielkości zderzaków i odczytuje się z wykresów podanych w normach przedmiotowych.

P=2P1P=2P1P=P1P=P1PSiła uderzenia

F=2 f1f=f1f=2 f1f=f1FUgięcie całkowite

E=4 E1E=2 E1E=2 E1E=E1EEnergia układu zderzaków

mieszanyrównoległyszeregowypojedynczy

Układ zderzaków na jednym odboju

Dane producentów zderzaków - charakterystyki statyczneProducenci podają charakterystyki statyczne zderzaków, przy czym zawarta jest w

większości przypadków tylko informacja dotycząca siły reakcji i energii uderzenia w funkcji odkształcenia amortyzatora. Dla zderzaków typu spręŜynowego oraz amortyzatorów gumowych, takie parametry techniczne są wystarczające z punktu widzenia poprawności doboru zderzaka.

Aktualnie najnowsza generacja zderzaków projektowana jest i wytwarzana w oparciu o elastomery poliuretanowe, wykazujące się wyjątkowymi właściwościami spręŜystymi i moŜliwością uzyskania wysokiej powtarzalności parametrów. Ponadto materiały te pozwalają na wytworzenie elementów o dowolnych kształtach, przez to znacznie zwiększają efektywność.

0

16

32

48

64

80

0 8 16 24 32 40

f[mm]

P[k

N] a)

b)

c)

Rys. 3 Charakterystyki katalogowe zderzaków:a) gumowego litego Ф100 DETRANS, b) poliuretanowego Ф100 KONECRANES c) gumowego litego Ф100 DEMAG

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

3

„Idealny” zderzak powinien w początkowej fazie ściskania (ugięcia pod wpływem uderzenia) wykazywać się szybkim wzrostem siły reakcji do osiągnięcia wartości dopuszczalnej, a następnie w dalszej fazie ściskania utrzymywać tę siłę aŜ do dopuszczalnego ugięcia, a ponadto umoŜliwiać absorbcję jak najwi ększej części energii.

Zderzaki o profilowanych specjalnie kształtach i wykonywane jako elementy wielowarstwowe z materiałów o zróŜnicowanych parametrach

Zbli Ŝone właściwości do takiego rodzaju zderzaków mają tzw. zderzaki o profilowanych specjalnie kształtach i wykonywane jako elementy wielowarstwowe z materiałów o zróŜnicowanych parametrach. Projektowane są one z elementów spręŜystych odpowiednio ze sobą połączonych (zespolonych). W początkowej fazie tzw. „strefa górna” zderzaka wykazuje charakterystykę o małej sztywności stąd siła reakcji stosunkowo wolno wzrasta. Po przekroczeniu pewnej wartości, kolejne warstwy czynne zderzaka - tzw. „strefa środkowa” – ulegają znacznym odkształceniom postaciowym i wówczas siła reakcji przestaje wzrastać, utrzymuje się na stałym poziomie, a nawet ulega niewielkiemu zmniejszeniu. Stan taki utrzymuje się do momentu osiągnięcia odkształcenia maksymalnego. Wtedy ugięcie jest tak duŜe, Ŝe warstwy składowe zderzaka pracują jak materiał o pełnym przekroju. Stąd siła reakcji narasta szybko do przekroczenia wartości dopuszczalnej. W przypadku przekroczenia siły uderzenia ponad wartość ściśle określoną, tzw. „dolna wymienna warstwa zderzaka” ulega postaciowemu trwałemu odkształceniu pochłaniając tym samym większą część energii uderzenia. Przy takiej samej masie materiału spręŜystego dla zderzaka, moŜna uzyskać nawet kilkukrotnie wi ększą energię absorbowaną niŜ dla zderzaków wykonanych z litego elementu. Poprzez odpowiedni dobór sposobu połączenia elementów składowych zderzaka, ich kształtu i wielkości uzyskać moŜna odpowiednie parametry (charakterystykę zapewniającą maksymalny poziom zabezpieczenia dźwignic). NaleŜy zauwaŜyć, Ŝe charakterystyki techniczne tzw. „zderzaków nowej generacji”, które są wytwarzane z materiałów kompozytowych oraz elastometów poliuretanowych nie są ujawniane przez ich producentów. Przykładem rozwiązania zderzaka o profilowanym kształcie, jest konstrukcja zaproponowana przez firmę DEMAG Cranes & Compnents dla suwnic podwieszanych typu KBK.

0

16

32

48

64

0 16 32 48 64 80 96

f[mm]

P[k

N] a)

b)

c)

Rys. 4 Charakterystyki katalogowe zderzaków, a) gumowego litego Ф100 DETRANS, b) poliuretanowego Ф100

KONECRANES c) tzw. „idealnego” zderzaka

Metodyka pomiarów doświadczalnych – opis stanowiska badawczego oraz systemu pomiarowego i akwizycji danych

Rys. 5 Elementy konstrukcyjne:1. – rama nośna; 2. – podpory stałe3. – zderzak wielkości 1004. – wciągarka ręczna5. – czujnik nacisku ETP20MP o nr. fabr.7.924 klasy A6. – korbka zwalniająca, 7. – czujnik przemieszczenia8 – przetwornik droga-napięcie9. – multimetr; 10 – napinacz śrubowy

Rys. 6 Schemat układu pomiarowego

Stanowisko badawcze do wyznaczania charakterystyk statycznych zderzaków gumowych oraz wykonanych z elastomerów poliuretanowych o budowie litej i profilowanej, a takŜe do przeprowadzania prób funkcjonalnych tych amortyzatorów w warunkach symulujących rzeczywiste warunków ich pracy.

Metodyka pomiarów doświadczalnych – opis stanowiska badawczego oraz systemu pomiarowego i akwizycji danych

Rejestrowane wielkości pozwalają na ocenę wielkości absorbowanej energii przez zderzak, stąd na podstawie analizy ich pracy wybór najkorzystniejszego materiału oraz optymalizacji kształtu.

Parametry badanego zderzaka: a) twardość w skali AShora: a) zderzak wielkość 100 lita guma 60, b) zderzak mały DEMAG 64, c) zderzak wydrąŜony DEMAG 56.

Czujnik siły: KABID-PRESS typ KP15004 rok1988 nr0141.

Dane do kalibracji układu wzmacniającego:system pomiarowy z czujnikiem ETP20MP i ze wzmacniaczem SGA, maszyna wytrzymałościowa EU40/M1

Wzmacniacz SGAnapięcie[V] Siła[kN]

0,2 1,080,4 1,960,6 2,830,8 3,71 4,58

1,2 5,451,4 6,331,6 7,21,8 8,082 8,95

2,2 9,822,4 10,72,6 11,572,8 12,453 13,32

3,2 14,23,4 15,073,6 15,943,8 16,824 17,69

Rys. 7: Przykładowe wyniki pomiar charakterystyki statycznej zderzaka: siły wymuszającej nacisk w funkcji przemieszczenia: (funkcja przejścia

y=4,37146x+0,206906; gdzie ugięcie zderzaka - x[mm], siła - y[kN])

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

4

Metodyka pomiarów doświadczalnych – opis stanowiska badawczego oraz systemu pomiarowego i akwizycji danych

Prezentowane stanowisko posiada moŜliwość sprawdzania dodatkowo tzw. „charakterystyk dynamicznych” zderzaków, czyli obserwacji zachowania się pracy zderzaka w chwili uderzania (system rejestracji wizualnej szybką kamerą celem identyfikacji odkształceń postaciowych), rejestracji siły uderzenia oraz reakcji, a takŜe odkształceń. Rejestrowane wielkości pozwalają na ocenę wielkości absorbowanej energii przez zderzak, stąd na podstawie analizy ich pracy wybór najkorzystniejszego materiału oraz optymalizacji kształtu.

Parametry kamery: Phantom V52 maks. szybkość zapisu 1000 klatek/s, rozdzielczość obrazu 1152x896, obiektyw NIKON 35mm (stało ogniskowy światło2,0 przysłona 5,6) oraz obiektyw NIKON 85mm (stało ogniskowy światło1,8 przysłona 8), 2xreflektor oświetleniowy DEDOCOOL (200mm 2,3ml lux), komputer PC Quad.

Rys. 8 Stop klatka z rejestracji procesu zderzenia: a) zderzak stosowany do profili lekkich KBK w stanie spoczynku i w czasie pracy przy absorpcji energii

uderzenia 126,11[J], b) zderzak gumowy Ф 100 DETRANS w stanie spoczynku oraz w czasie pracy przy absorpcji energii uderzenia 242,26[J]

Modelowanie komputerowe zderzaków

Przykładowe wyniki analizy numerycznej: rys.9a) maksymalne przemieszczenie zderzaka obciąŜonego siłą 3kN działającą

prostopadle do powierzchni czołowej, rys. 9b) maksymalne przemieszczenie zderzaka gumowego Ф100 DETRANS

obciąŜonego siłą 72kN działającą prostopadle do powierzchni czołowej.

Literatura:Piątkiewicz A., Sobolski R.: Dźwignice, tom I, tom II. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne 1977r.

Transport przemysłowy i maszyny robocze. Kwartalnik. Wydawnictwo Lektorium Wrocław

Normy i wymagania techniczne: PN-EN 13001–2, PN-ISO 8686-1, PN-86/M-06514; PN-ISO 8686-1, DT-UT-7/95, DT-DE-90/WO,

Przykład sprawdzenia poprawności doboru zderzaków suwnicy

Suwnica hakowa wyposaŜona jest w wyłączniki krańcowe. Nosiwo zawieszone jest swobodnie na cięgnach.Suwnica posiada zderzaki w układzie pojedynczym.Dane suwnicy wynoszą: ms=11600[kg], mw=2185[kg], L=16,5[m], e=1[m], vj=80[m/min]

a) wyznaczenie energii uderzenia dźwignicy, określenie masy: najbardziej niekorzystny rozkład mas wzdłuŜ całej rozpiętości suwnicy (tj. naciski kół po stronie bardziej obciąŜonej):

mo=6790kg

b) określenie prędkości uderzenia suwnicy w odbój przy uwzględnieniu wyłączników krańcowych ma wartość:

Vu=0.5*Vj=0.67m/s

c) wyznaczenie maksymalnej energii uderzenia suwnicy (po jej stronie bardziej obciąŜonej): E

m0 V u2⋅

2:= E=1520[J]

PoniewaŜ suwnica posiada zderzaki w układzie pojedynczym energia ta jest energią jednego zderzaka. Na podstawie analizy charakterystyk przedstawionych na wykresach wg normy PN-83/1232-33710 dobrano zderzak gumowy wielkości 160, któremu odpowiada krzywa na wykresie nr. 10a. Z tego wykresu odczytano dla energii E=1520[J] następujące parametry: -siła uderzenia P=78000N, -ugięcie zderzaka f=0,051m, dobrano zderzak dla którego został spełniony warunek: E=1520[J]<Emax=2800[J]

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….

………………………….…….. .……………………….……..... ……………………..…………. …………………….………….. ……………………….……...... …………………………..……. ……………………………..…. ……………………………..….