IIPP - Neki Problemi Dinamike i Čvrstoće Mašina Visokih Performansi

Broj rada: 8(2010)1,167,1-12

NEKI PROBLEMI DINAMIKE I VRSTO E MAŠINA VISOKIH PERFORMANSI

Prof. dr Sr an Bošnjak*Mašinski fakultet, Beograd

Neprekidna eksploatacija u vrlo teškim radnim uslovima dovodi do relativno estih otkaza podsistema rotornih bagera i pretovarnih mostova za ugalj. Visoko mesto me u uzro nicima pomenutih otkaza zauzmaju propusti projektanata – greške u analizi optere enja, modeliranju i analizi odziva. U radu je izložen originalan postupak identifi kacije optere enja izazvanog otporom kopanja, koji obuhvata sve relevantne konstrukcione parametre, kao i parametre režima rada mašine. Njegova validacija izvršena je merenjima u realnim eksploatacionim uslovima. Osim toga, izložen je i postupak formi-ranja dinami kog modela nadgradnje rotornih bagera. On omogu ava da se sa dovoljnom ta noš uanalizira njen odziv i utvrdi nivo zna ajnosti parametara pojedinih podsistema. Prezentiran je re-dizajn obrtne platforme bagera i nose e konstrukcije pretovarnog mosta za ugalj. Rezultati merenja i višegodišnja eksploatacija nedvosmisleno su potvrdili uspešnost primenjenog koncepta redizajna.

Klju ne re i: rotorni bager, pretovarni most, otpor kopanja, dinamika, vrsto a

* Mašinski fakultet, Kraljice Marije 16, 11120 Beograd; [email protected]

UVOD

Rotorni bageri i pretovarni mostovi za ugalj, slike 1 i 2, zbog svojih izuzetnih performansi i kapaciteta pre svega, predstavljaju vitalne de-love sistema površinske eksploatacije, odnosno, sistema unutrašnjeg transporta i dopreme uglja u termoelektranama. Otkazi pomenutih klasa mašina [1,2,3,4,5,6], osim direktne materijalne štete, prouzrokuju i indirektnu štetu nastalu zas-tojem sistema. Ona je, esto, znatno ve a od di-rektne materijalne štete. Na primer, jedan sat za-stoja rotornog bagera na površinskim kopovima RB »Kolubara« tretira se kao gubitak od 8,000 do 14,000 €, u zavisnosti od kapaciteta bagera i pripadaju eg sistema eksploatacije.

Mašine za kontinualni iskop/zahvatanje raslog/rastresenog tla, izložene su dejstvu optere enjaizrazito dinami kog karaktera, što je, pre svega, posledica:

periodi nog ulaska/izlaska kašika/vedrica iz zahvata sa tlom,neuravnoteženosti pogonskih mehanizama, zahvatnih ure aja i obrtnih delova trakastih transportera iudara komada koji mogu da se jave tokom pražnjenja kašika/vedrica.

Kada je re o optere enjima periodi nog kara-

•

•

•

ktera, dominantan uticaj na odziv nose e kon-strukcije i mehanizama razmatranih klasa mašina ima optere enje izazvano interakcijom mašine i tla - otpor kopanja.

Analiza dinami kog ponašanja razmatrane klase mašina je izuzetno zna ajna, pre svega, zbog

Slika 1. Rotorni bager Takraf SRs 1200

mogu e pojave rezonantnih stanja. Osim toga, ona pruža osnovu za analizu naponskih stanja konstrukcionih elemenata i odre ivanje njihovog veka.

Dinami ko ponašanje mašina za kontinualni iskop / zahvatanje, pod dejstvom pobude iza-

1

Istraživanja i projektovanja za privredu 8(2010)1

Slika 2. Pretovarni most za ugalj Metalna 300

zvane otporom kopanja, zavisi od relativno ve-likog broja faktora koji mogu da se svrstaju u dve grupe. Prvu grupu ine dinami ke karakteristike nose e konstrukcije i mehanizama, a drugu, karakteristike tla. Dakle analiza dinami kogponašanja razmatrane klase mašina zahteva da se prethodno, na odgovaraju i na in, reše dva problema i to:

problem modeliranja spoljašnjeg optere enja izazvanog otporom kopanja i problem formiranja dinami kog modela mašine ili njenog reprezentativnog pod-sistema.

Osim rešavanja problema odre ivanja spolja-šnjeg optere enja, provera vrsto e zahteva i formiranje odgovaraju ih prora unskih modela nose ih struktura.

MODELIRANJE OPTERE ENJA IZAZVANOG OTPOROM KOPANJA

Identifi kacija spoljašnjeg optere enja izazvanog otporom kopanja, zahteva rešavanje tri prob-lema i to:

problema odre ivanja dimenzija popre nogpreseka odrezaka; problema izbora i odre ivanja specifi nogotpora kopanja;problema odre ivanja položaja komponenti otpora kopanju.

Kada je re o problemu odre ivanja dimen-zija odrezaka, postoje a literatura može da se svrsta u dve grupe. Prvu grupu, reference [7,8,9,10,11,12], karakterišu apsolutno kruti modeli radnog ure aja. U radu [13] dat je kriti kiosvrt na postoje e postupke kinemati ke anal-ize procesa rezanja tla i prezentirana proce-dura simulacije optere enja izazvanog otporom kopanja na originalnom modelu radnog ure aja.On obuhvata sve relevantne konstrukcione

•

•

•

•

•

parametre i parametre režima rada, kao i stohasti nost specifi nog otpora kopanja.

Validacija izloženog postupka izvršena je meren-jem u realnim radnim uslovima, slike 3, 4 i 5.

Upore ivanjem karakteristi nih vrednosti di-jagrama prikazanih na slici 5, zaklju uje se da simulacioni model daje rezultate ija je ta nost dovoljna, sa inženjerske ta ke gledišta. Deterministi ki model daje dobre rezultate kada je re o frekvenciji pobude. Stohasti ki model daje rezultate koji su bliski izmerenim vrednos-tima. Odstupanja koja se javljaju tuma e se uti-cajem stanja reznih elemenata, odlamanjem tla u zoni izlaska kašike iz zahvata, kao i injenicomda u razmatranom slu aju nije uzeta u obzir de-formabilnost strukture.

DINAMI KI MODELI NADGRADNJEROTORNIH BAGERA

U monografi ji [14] dati su dinami ki modeli nadgradnje rotornih bagera – 1600, slika 6, – 1600, slika 7 i – 400, slika 8, u vertikalnoj ravni. Oni obuhvataju i deformabil-nost strukture gornje gradnje, koja je kod bag-era – 1600 i – 1600 konstrukciono rešena tako da njeni nosa i mogu da se treti-raju kao aksijalne opruge. U dinami kom modelu bagera – 400 deo strukture gornje gradnje posmatra se kao apsolutno krut, a njenu deform-abilnost simulira opruga krutosti c5, slika 8.

U literaturi [15] detaljno je izložen postupak modeliranja strukture nadgradnje rotornog bag-era Krupp SchRs 1760, slika 9. Autor citirane literature je, prihvataju i osnovne postavke koje su date u [14], razmatrao oscilovanje strukture stuba sa konzolom protivtega i strelom rotora u vertikalnoj ravni, na modelima prikazanim na slikama 10 i 11. U radovima [13,16] izložen je postupak formiranja prostornih dinami kih mod-ela podstruktura gornje gradnje rotornog bagera

Slika 3. Položaj mernih mesta na zategama rotornog bagera Takraf SRs 1200

2 ,167

S.Bošnjak - Neki problemi dinamike i vrsto e mašina visokih performansi


Slika 4. Karakteristi ni segmenti dijagrama promene napona na mernim mestima 1 i 2 [3]

Slika 5. Uporedni prikaz dijagrama sila u zatezi [3]

Slika 7. Model nadgradnje bagera –1600 [14]

3

Slika 6. Model nadgradnje bagera –1600 [14]

,167



KRUPP SchRS 1760, slike 12 i 13. Njihovom sintezom formiran je prostorni dinami ki model celokupne nadgradnje, slika 14. Ovako razvijen model može da se koristi za reševanje razli itihproblema dinamike rotornih bagera.

Slika 9. Rotorni bager Krupp SchRs 1760

Slika 10. Rotorni bager Krupp SchRs 1760 - model stuba sa konzolom protivtega prema [15]

Slika 11. Rotorni bager Krupp SchRs 1760 - model strele rotora prema [15]

Slika 12. Rotorni bager Krupp SchRs 1760 - model stuba sa konzolom protivtega prema [13,16]

Slika 13. Rotorni bager Krupp SchRs 1760 - model strele rotora prema [13,16]

ODZIV NADGRADNJE BAGERA KRUPP SchRs 1760 U VERTIKALNOJ RAVNI

Redukcijom prostornog modela, slika 14, formi-ran je ravanski model nadgradnje, slika 15. Komponente optere enja izazvanog otporom kopanja (vertikalna i horizontalna sila i moment otpora kopanja, slika 16) odre ene su primenom softvera RADBAG, razvijenog na osnovu origi-nalnog modela prezentiranog u [13,17].

4

Slika 8. Model nadgradnje bagera – 400 [14]

,167



Slika 14. Prostorni dinami ki model nadgradnje rotornog bagera Krupp SchRs 1760 [13,16]

Slika 15. Redukovani dinami ki model nadgradnje rotornog bagera Krupp SchRs 1760 u vertikalnoj ravni

5,167



Odziv nadgradnje za slu aj da se strela rotora nalazi u hrorizontalnom položaju prikazan je na slikama 17 i 18.

Slika 19. Lokacije i izgled pukotina donje plo e i vertikalnog lima obrtne platforme – spolja [3]

Slika 20. Lokacije i izgled pukotina donje plo e i vertikalnog lima obrtne platforme – iznutra

REDIZAJN OBRTNE PLATFORME ROTORNOG BAGERA TAKRAF SRs 1200

Višegodišnja eksploatacija u veoma teškim rad-nim uslovima dovela je do pojave prslina i pu-kotina u zonama oslanjanja zadnjih stubova nadgradnje, slike 19 i 20. Kona noelementnomanalizom utv ena je veoma izražena koncen-tracija napona u kriti noj zoni [1,3,18]. Ona je izazvana tehnološkim otvorom (koriš en to-kom izrade obrtne platforme) i isuviše ranim završetkom oja anja donje plo e, slika 21. Red-izajnom strukture platforme, slika 22, uz mini-malni dodatak mase, ostvaren je znatno bolji odziv na spoljašnje optere enje (naponi su manji od dopuštenih), što je potvr eno i merenjima u eksploatacionim uslovima, slike 23 i 24.

6

Slika 16. Dijagram momenta otpora kopanja

Slika 18. Dijagrami ubrzanja središta masa rotora

,167


Slika 17. Dijagrami generalisanih koordinata


Slika 21. Detalj polja napona u kriti noj zoni, x,max=32,1 kN/cm2

Slika 22. 3D model redizajnirane kriti ne zone

Slika 23. Merno mesto 9 [3]

Slika 24. Promena napona u kriti noj zoni nakon rekonstrukcije [3]

7

REDIZAJN NOSE E KONSTRUKCIJEPRETOVARNOG MOSTA ZA UGALJ M300

etiri pretovarna mosta sa elevatorima, slika 25, ine okosnicu sistema dopreme uglja u termo-

elektrani „Kolubara“ Veliki Crljeni. Pri ekstrem-nom zakošenju, dolazilo je do izvijanja kosnika krute noge, što je za posledicu imalo kolaps strukture pretovarnog mosta.

Analiza optere enja izazvanog otporom zah-vatanja materijala izvedena je primenom origi-nalnog postupka izloženog u [19], slike 26 i 27.

Pri zakošavanju, najve i prora unski naponi jav-ljaju se u kosnicima krute noge – u zategnutom kosniku 16,7 kN/cm2, a u pritisnutom kosniku 17,7 kN/cm2, slika 28. Maksimalno pomeran-je strukture javlja se u zoni elasti ne noge, slika 29.

Da bi se eliminisali uzroci otkaza nose e kon-strukcije pretovarnog mosta, izvršena je odgovaraju a rekonstrukcija, [20,21].

Ukru enje rešetke kosnika krute noge izvedeno je ugradnjom dijagonala u postoje u rešetku kos-nika i ugradnjom rešetke koja vezuje (i istovre-meno ukru uje) rešetku kosnika sa gredama glavog nosa a i krutim portalom, slike 30 i 31.

Popre ni preseci portala zatvoreni su tankim limovima, ime je višestruko pove ana njihova uvojna krutost, uz istovremeno pove anje savo-jne krutosti, slika 32.

,167



Slika 25. Pretovarni most za ugalj Metalna 300 – detalji krute noge i zahvatnog ure aja

Slika 26. Kinemati ki model zahvatnog ure aja pretovarnog mosta [19]

y

xr0 i,Mi+1

r0 i n

vmo

z

Ozvmo

vl

vrez

n

tl

s

t

p

Mi

Mi+1P

i

i,Mi+1 k

r 0

v

Hz

Rk

z

r z

8 ,167



Slika 28. Distrubucija napona pri zakošavanju originalne strukture

Povezivanjem donjih pojaseva vertikalnih rešetki glavnih nosa a, slika 33 (plavi elementi) i ugrad-njom dijagonala (crveni elementi), ostvareno je pove anje krutosti krutosti celokupne strukture u horizontalnoj ravni.

Rekonstrukcijom strukture ostvaren je znatno niži nivo naponskog stanja, uz istovremenu dis-lokaciju zone maksimalnih napona, slika 34.Maksimalni naponi javljaju u elementima verti-kalne rešetke (napon zatezanja 11,3 kN/cm2) i glavnom nosa u (napon pritiska 12,8 kN/cm2). Naponi u kosnicima krute noge su znatno niži

Slika 29. Pomeranja pri zakošavanju originalne strukture – horizontalna ravan

Slika 32. Formiranje kutijastih preseka portala

Slika 30. Ukru enje rešetke kosnika (crveno) i vezna rešetka (žuto) – (a) dispozicija, (b) detalji

(b)

(a)

Slika 31. Izgled strukture u zoni krute noge nakon rekonstrukcije

9

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,80

2

4

6

8

10

12

14

t [s]

Mk3 [kNm] Mk3 det. Mk3 stoch.

Slika 27. Moment otpora zahvatanja materijala [19]

,167



Slika 34. Distrubucija napona pri zakošavanju redizajnirane strukture

u odnosu na projektovano stanje - maksimalni napon pritiska iznosi 8,6 kN/cm2.

Pove anje krutosti rešetke krutog portala, uz is-tovremeno pove anje torzione krutosti njegovih nogu, rezultira manjim pomeranjima rekonstrui-sane strukture u horizontalnoj ravni - pomeranje referentnog vora 66 u pravcu ose X globalnog koordinatnog sistema (pravac kranske staze) iznosi 13,2 cm.

Eksploataciono iskustvo nakon izvršenih rekon-strukcija sva etiri pretovarna mosta u potpu-nosti je potvrdilo valjanost primenjenih rešenja i samog postupka prora una.

je prezentiran u radu, mogu e je oceniti osetlji-vost pojedinih dinami kih parametara sistema na promene karakteristika podsistema. Iako istraživanjima na matemati kom modelu nije mogu e obuhvatiti sve pojave koje se dešavaju tokom eksploatacije, njihovi rezultati predsta-vljaju osnovu za predikciju mogu ih neželjenih stanja mašine. Jasno, ona su nezamenljiva kada je re o istraživanjima koja je neophodno sprovesti još u fazi projektovanja mašine.

Suptilna analiza optere enja i razvoj kona noelementnih modela koji u potpunosti obuh-vataju geometriju strukture, predstavljaju osn-ovu uspešnog redizajna nose ih konstrukcija

10

Slika 33. Ukru enja vertikalnih rešetki glavnih nosa a

ZAKLJU AK

Razvoj prora unskih modela i odgovaraju egsoftvera omogu ava da se sa dovoljnom ta noš u, sa inženjerskog aspekta, utvrde sve relevantne karakteristike spoljašnjeg optere enjaizazvanog otporom kopanja ili zahvatanja ma-terijala. Osim toga, razvijeni modeli, koji su u radu vrlo sažeto prikazani, omogu avaju da se u pobudu uvede i odziv sistema. Time se pruža mogu nost i za ocenu stepena reolinearnosti analiziranih mehani kih sistema.

Istraživanja dinami kog ponašanja nose ihkonstrukcija rotornih bagera na osnovu odziva odgovaraju ih modela omogu avaju da se, rela-tivno brzo, utvrdi stepen u eš a pojedinih pod-struktura i podsistema bagera. Na modelu koji

,167



rotornih bagera i pretovarnih mostova. Valjanost prezentiranih konstrukcionih rešenja i prilaza problemu redizajna potvr ena je merenjima u realnim eksploatacionim uslovima i injenicomda nakon izvršene rekonstrukcije nije dolazilo do otkaza redizajniranih podsistema mašina.

Ovaj rad predstavlja deo istraživanja na projektu TR 14052 fi nansiranom od strane Ministarstvaza nauku i tehnološki razvoj.

LITERATURA

Bošnjak, S., Petkovi , Z., Zrni , N., Simi ,G., Simonovi , A.: Cracks, repair and recon-struction of bucket wheel excavator slewing platform, Engineering Failure Analysis, Vol-ume 16, Number 5, pp. 1631-1642, 2009.

Bošnjak, S., Zrni , N., Simonovi , A., Mom ilovi , D.: Failure analysis of the end eye connection of the bucket wheel excava-tor portal tie-rod support, Engineering Failure Analysis, Volume 16, Number 3, pp. 740-750, 2009.

Bošnjak, S., Zrni , N., Petkovi , Z.: Numeri-cal – experimental analysis of structural strength of bucket wheel excavator revolving platform, Proceedings of Second Interna-tional Conference on Material and Compo-nent Performance under Variable Amplitude Loading, pp. 1185-1193, German Association for Materials Research and Testing (DVM), Darmstadt, 2009.

Rusi ski, E., Czmochowski, J., Iluk, A., Kow-alczyk, M.: An analysis of the causes of a BWE counterweight boom support fracture, Engineering Failure Analysis, article in press, doi: 10.1016/j.engfailanal. 2009.06.001.

Bošnjak, S., Petkovi , Z., Zrni , N., Panteli ,M., Obradovi , A.: Failure analysis and re-design of the bucket wheel excavator two-wheel bogie, Engineering Failure Analysis, article in press, doi: 10.1016/j.engfailanal. 2009.09.007

Bošnjak, S., Simonovi , A., Petkovi , Z., Zrni , N.: Uporedna analiza vrsto e vari-jantnih konstrukcionih rešenja donje gradnje rotornog bagera C-700S, Istraživanja i pro-jektovanja za privredu, Volume 4, Number 14, pp. 19-28., 2006.

1)

2)

3)

4)

5)

6)

, . .:, ,

, , , 1972.

Makar, M.: Teorija bagerovanja rotornim bagerima, Rudarski institut, Beograd, 1990.

Pajer, G., Pfeifer, M., Kurth, F.: Tagebau grosgerate und Universalbagger, Veb Verlag Technik, Berlin, 1971.

Rasper, L.: Der Sshaufelradbagger als Ge-winnungsgerat, Trans Tech Publications, Clausthal, 1973.

, . .:, -

, , 1971.

, . ., . .,, . ., , . ., ,

. ., , . .:, , , 1968.

Bošnjak, S.: Dinamika rotornih bagera sa radijalnim iskopom u uslovima stohasti kepobude izazvane otporom kopanju, doktor-ska disertacija, Mašinski fakultet, Beograd, 1995.

, . ., , . .:-

, - ,, 1969.

Petkovi , Z.: Prilog analizi dinami kogponašanja roto bagera, doktorska disertaci-ja, Mašinski fakultet, Beograd, 1990.

Bošnjak, S., Petkovi , Z., Zrni , N., Petri , S.: Mathematical modeling of dynamic process-es of bucket wheel excavators, Proceedings 5th MATHMOD, pp. 4.1–4.10, ARGESIM Verlag, Vienna, 2006.

Bošnjak, S., Zrni , N., Petkovi , Z.: Bucket wheel excavators and trenchers – Computer added calculation of loads caused by resis-tance to excavation, Machine Design, mono-graph edited by S. Kuzmanovi , pp. 121-128, University of Novi Sad, 2008.

Bošnjak, S., Petkovi , Z., Mateji , P., Zrni ,N., Petri , S., Simonovi , A.: Analysis of stress – strain state of bucket wheel excava-tor revolving platform structure – fundament of effi cient reconstruction, Structural Integrity and Life, Volume 5, Number 3, pp. 129 – 142, Belgrade, 2005.

7)

8)

9)

10)

11)

12)

13)

14)

15)

16)

17)

18)

11,167



Bošnjak, S., Gaši , V., Petkovi , Z.: Deter-mination of resistances to coal reclaiming at bridge - type stacker – reclaimer with bucket chain booms, FME Transactions, Volume 33, Number 2, pp. 79 – 88, University of Bel-grade, Faculty of Mechanical Engineering, 2005.

Bošnjak, S., Petkovi , Z., Gaši , V., Zrni , N.: Pretovarni mostovi sa elevatorima – Deo I: Identifi kacija optere enja, prora un strukture i zakošavanje, Tehnika – Mašinstvo (55), Vol. LXI, broj 6, pp. 1–6, Beograd, 2006.

Bošnjak, S., Petkovi , Z., Gaši , V., Zrni ,N.: Pretovarni mostovi sa elevatorima – Deo II: Konstrukciono rešenje, tehnologija i prora un rekonstruisane strukture, Tehnika – Mašinstvo (56), Vol. LXI, broj 1, str. 7–13, Beograd, 2007.

19)

20)

21)

12

SOME OF THE PROBLEMS ONDYNAMICS AND STRENGTH OF THE HIGH PERFORMANCE MACHINES

Constant exploitation of heavy duty machines, such as the bucket wheel excavator and bridge-type stacker-reclaimer, under the action of highly pronounced dynamic loads, may lead to the fail-ures of their substructures and subassemblies. Unfortunately, high position among the causes of mentioned failures belongs to the designers omissions – mistakes done on the occasion of load analysis, modelling and response analysis. This paper presents an original procedure of cal-culating external loads caused by force resisting excavation. Model comprises all relevant struc-tural parameters and parameters of duty cycles. Measurements in the real operating conditions have been done in order to establish the cred-ibility of simulation model. Besides that, this pa-per discusses procedures for dynamic modelling of bucket wheel excavator superstructure. De-veloped model enables response analysis, with quite satisfactory accuracy, from the engineer-ing point of view. Redesign of the bucket wheel excavator slewing platform, as well as redesign of the bridge-type stacker-reclaimer structure, is presented. The effi ciency of these reconstruc-tions is unquestionably confi rmed by failureless service of mentioned machines.

Key words: bucket wheel excavator, bridge - type stacker-reclaimer, force resisting excavation, dy-namics, strength

Rad poslat na recenziju: 30.09.2009.Rad spreman za objavu: 23.12.2009.

,167


Documents

IIPP - Neki Problemi Dinamike i Čvrstoće Mašina Visokih Performansi