górnictwo odkrywkowe 19 Wprowadzenie Maszyny do robót ziemnych są w szczególny sposób narażone na obciążenia wynikające z sytuacji wypadkowej związanej bądź to z wywróceniem maszyny lub uderzeniem wywołanym spadającymi przedmiotami. Struktury chroniące operatora maszyny podczas wywrócenia są elementami stoso- wanymi obligatoryjnie. Są one wykorzystywane w maszynach budowlanych, jak i górniczych a także innych, w których cha- rakter pracy jest związany z możliwością wywrócenia się na stoku bądź to na nierównościach terenu. Ich najważniejszym zadaniem jest ochrona przestrzeni życiowej, w której znajduje się operator, zdefiniowanej za pomocą makiety DLV (ang. Deflection Limiting Volume) [2]. Ustrój nośny kabiny podczas sytuacji wypadkowej, oprócz ochrony przestrzeni życiowej, ma zapewnić przenoszenie sił związanych z wywróceniem się maszyny oraz pochłonąć określoną energię. Ustawodaw- ca przewiduje wykonanie trzech prób wytrzymałościowych w następującej po sobie kolejności: obciążenie siłą boczną (symulujące wywrócenie się maszyny na bok), obciążenie siłą pionową (zgniatanie kabiny wywołane przez wywrócenie się maszyny na dach) oraz obciążenie siłą wzdłużną (symulujące wjechanie przodem lub tyłem maszyny w przestrzeń o obni- żonej wysokości – mniejszej niż wysokość maszyny). W przy- padku obciążenia bocznego oprócz przeniesienia wymaganej siły, warunkiem koniecznym, który musi zostać spełniony, jest pochłonięcie określonej energii. Warunek jest ten szczególnie trudny do spełnienia, ponieważ wymaga od projektanta dużego doświadczenia w projektowaniu tego typu obiektów i spełnienia dwóch przeciwnych warunków. Jest to zagadnienie trudne, a w przypadku złożonych struktur wręcz niemożliwe. Konstrukcja chroniąca musi być na tyle sztywna, aby przenieść obciążenie siłą boczną i jednocześnie podatna na tyle, aby pochłonąć energię [1]. W górnictwie podziemnym surowców mineralnych oraz w pracach tunelowych związanych z budową dróg stoso- wane są w procesie wydobywczym maszyny kołowe służące do wiercenia otworów strzałowych oraz kotwienia. Struktura tego typu maszyn jest do siebie podobna i najczęściej składa się z ciągnika połączonego przegubowo z platformą przednią, na której znajdują się zamocowane: konstrukcja chroniąca oraz wysięgniki z masztami wiertniczymi lub wieżyczkami kotwiącymi (rys.1). W zależności od potrzeb, konstrukcja kabiny może mieć zmienną wysokość, co ułatwia transport oraz umożliwia zwiększenie pola widoczności operatorowi maszyny podczas wiercenia otworów strzałowych. Tego typu struktura rodzi jednak szereg problemów związanych z dostosowaniem jej do wymagań bezpieczeństwa zawartych w aktach normatywnych. Masa takich maszyn dochodzi do 30 000 kg i w przypadku wywrócenia się pojazdu konstrukcja musi ochronić przestrzeń życiową zdefiniowana makietą DLV. W pracy przedstawiono metodykę przeprowadzenie badań symulacyjnych tego typu obiektów z wykorzystaniem metody elementów skończonych [3, 5] oraz analizę i dyskusję otrzymanych wyników. Przepro- wadzono analizę konstrukcji chroniącej operatora wiertnicy face Master 2.3 NV, polskiej firmy Mine Master sp z o.o. Opis obiektu badań Samojezdna maszyna wiercąca typu face Master 2.3NV, jest wąską dwuwysięgnikową wiertnicą stosowaną zarówno w pracach związanych z wydobyciem surowców mineral- nych (kopalnie) jak i w pracach tunelowych (budowa dróg). Analizowaną konstrukcję chroniącą, będącą obiektem badań, przedstawiono na rysunku 2. górna część konstrukcji chroniącej jest podnoszona za pomocą dwóch siłowników hydraulicznych, BADANIA SYMULACYJNE KONSTRUKCJI CHRONIĄCEJ PRZY WYWRÓCENIU SIĘ MASZYNY DESIGN CALCUATIONS ON MACHINE ROLL-OVER PROTECTIVE STRUCTURE Jacek Karliński, Mariusz Ptak - Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn, Politechnika Wrocławska konstrukcje chroniące operatorów maszyn do robót ziemnych są ważnym elementem wyposażenia stosowanym w wielu gru- pach maszyn pracujących w budownictwie a także górnictwie. ich budowa ma zapewnić ochronę przestrzeni życiowej podczas wywrócenia się maszyny. takie konstrukcje mogą stanowić integralną część kabiny lub być osobną strukturą znajdującą się na zewnątrz kabiny. w pracy przedstawiono metodykę przeprowadzenia badań wytrzymałościowych konstrukcji chroniących przy wykorzystaniu metod numerycznych. the operator protective structures for the earth movers are important safety device used in many groups of machines wor- king in the construction as well as in the mining. the structure is supposed to protect the man safety space while the machine rolls over. Such structures can be an integral part of the cabin or be fitted outside the cabin. the paper outlines the methodology of conducting strength analysis of protective structures using numerical methods. Rys. 1. Samojezdna maszyna wiertnicza z kabiną zmiennej wysokości (fot. Mine Master sp z o.o.)
Transcript
górnictwo odkrywkowe
19
Wprowadzenie
Maszyny do robót ziemnych są w szczególny sposób narażone na obciążenia wynikające z sytuacji wypadkowej związanej bądź to z wywróceniem maszyny lub uderzeniem wywołanym spadającymi przedmiotami. Struktury chroniące operatora maszyny podczas wywrócenia są elementami stoso-wanymi obligatoryjnie. Są one wykorzystywane w maszynach budowlanych, jak i górniczych a także innych, w których cha-rakter pracy jest związany z możliwością wywrócenia się na stoku bądź to na nierównościach terenu. Ich najważniejszym zadaniem jest ochrona przestrzeni życiowej, w której znajduje się operator, zdefiniowanej za pomocą makiety DLV (ang. Deflection Limiting Volume) [2]. Ustrój nośny kabiny podczas sytuacji wypadkowej, oprócz ochrony przestrzeni życiowej, ma zapewnić przenoszenie sił związanych z wywróceniem się maszyny oraz pochłonąć określoną energię. Ustawodaw-ca przewiduje wykonanie trzech prób wytrzymałościowych w następującej po sobie kolejności: obciążenie siłą boczną (symulujące wywrócenie się maszyny na bok), obciążenie siłą pionową (zgniatanie kabiny wywołane przez wywrócenie się maszyny na dach) oraz obciążenie siłą wzdłużną (symulujące wjechanie przodem lub tyłem maszyny w przestrzeń o obni-żonej wysokości – mniejszej niż wysokość maszyny). W przy-padku obciążenia bocznego oprócz przeniesienia wymaganej siły, warunkiem koniecznym, który musi zostać spełniony, jest pochłonięcie określonej energii. Warunek jest ten szczególnie trudny do spełnienia, ponieważ wymaga od projektanta dużego doświadczenia w projektowaniu tego typu obiektów i spełnienia dwóch przeciwnych warunków. Jest to zagadnienie trudne, a w przypadku złożonych struktur wręcz niemożliwe. Konstrukcja chroniąca musi być na tyle sztywna, aby przenieść obciążenie siłą boczną i jednocześnie podatna na tyle, aby pochłonąć energię [1]. W górnictwie podziemnym surowców mineralnych oraz w pracach tunelowych związanych z budową dróg stoso-wane są w procesie wydobywczym maszyny kołowe służące do wiercenia otworów strzałowych oraz kotwienia. Struktura tego typu maszyn jest do siebie podobna i najczęściej składa się z ciągnika połączonego przegubowo z platformą przednią, na której znajdują się zamocowane: konstrukcja chroniąca
oraz wysięgniki z masztami wiertniczymi lub wieżyczkami kotwiącymi (rys.1). W zależności od potrzeb, konstrukcja kabiny może mieć zmienną wysokość, co ułatwia transport oraz umożliwia zwiększenie pola widoczności operatorowi maszyny podczas wiercenia otworów strzałowych. Tego typu struktura rodzi jednak szereg problemów związanych z dostosowaniem jej do wymagań bezpieczeństwa zawartych w aktach normatywnych. Masa takich maszyn dochodzi do 30 000 kg i w przypadku wywrócenia się pojazdu konstrukcja musi ochronić przestrzeń życiową zdefiniowana makietą DLV. W pracy przedstawiono metodykę przeprowadzenie badań symulacyjnych tego typu obiektów z wykorzystaniem metody elementów skończonych [3, 5] oraz analizę i dyskusję otrzymanych wyników. Przepro-wadzono analizę konstrukcji chroniącej operatora wiertnicy face Master 2.3 NV, polskiej firmy Mine Master sp z o.o.
Opis obiektu badań
Samojezdna maszyna wiercąca typu face Master 2.3NV, jest wąską dwuwysięgnikową wiertnicą stosowaną zarówno w pracach związanych z wydobyciem surowców mineral-nych (kopalnie) jak i w pracach tunelowych (budowa dróg). Analizowaną konstrukcję chroniącą, będącą obiektem badań, przedstawiono na rysunku 2. górna część konstrukcji chroniącej jest podnoszona za pomocą dwóch siłowników hydraulicznych,
BADANIA SYMULACYJNE KONSTRUKCJI CHRONIĄCEJ PRZY WYWRÓCENIU SIĘ MASZYNY
DESIGN CALCUATIONS ON MACHINE ROLL-OVER PROTECTIVE STRUCTURE
Jacek Karliński, Mariusz Ptak - Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn, Politechnika Wrocławska
konstrukcje chroniące operatorów maszyn do robót ziemnych są ważnym elementem wyposażenia stosowanym w wielu gru-pach maszyn pracujących w budownictwie a także górnictwie. ich budowa ma zapewnić ochronę przestrzeni życiowej podczas wywrócenia się maszyny. takie konstrukcje mogą stanowić integralną część kabiny lub być osobną strukturą znajdującą się na zewnątrz kabiny. w pracy przedstawiono metodykę przeprowadzenia badań wytrzymałościowych konstrukcji chroniących przy wykorzystaniu metod numerycznych.
the operator protective structures for the earth movers are important safety device used in many groups of machines wor-king in the construction as well as in the mining. the structure is supposed to protect the man safety space while the machine rolls over. Such structures can be an integral part of the cabin or be fitted outside the cabin. the paper outlines the methodology of conducting strength analysis of protective structures using numerical methods.
Rys. 1. Samojezdna maszyna wiertnicza z kabiną zmiennej wysokości (fot. Mine Master sp z o.o.)
górnictwo odkrywkowe
20
blokowanych na określonej wysokości zarówno mechanicznie, jak i hydraulicznie (mechanicznie za pomocą sworzni zabezpie-czających, blokowanych w otworach znajdujących się zarówno w słupie zewnętrznym jak i słupie wewnętrznym, hydraulicznie za pomocą rozdzielacza jak i zaworów dławiących). Materiał użyty do budowy kabiny to stal S355J2g3, której własności wytrzymałościowe są następujące:• granica plastyczności Remin = 355 MPa,• wytrzymałość na rozciąganie Rmmin = 490 - 630 MPa,• wydłużenie A5 = 20 - 22 %
Rys. 2. Obiekt badań – konstrukcja chroniąca operatora
Słupy zewnętrzne montowane są do ramy maszyny przy wykorzystaniu płyt o grubości 30 mm, w których znajdują się otwory pod śruby jak i otwór pod trzpień ustalający o średnicy 50 mm. Taki sposób mocowania gwarantuje, że podczas ob-ciążenia siłą boczną bądź wzdłużną śruby nie będą obciążone siłami tnącymi. W przypadku analizowanej kabiny konstrukcja chroniąca stanowi jej integralną część, w wielu przypadkach jest to dodatkowa struktura znajdującą się nad kabiną (rys. 3 – kolor czarny).
Badania konstrukcji chroniacych przy wywróceniu się maszyny
Podczas pracy ciężkiej maszyny na nierównym terenie często dochodzi do przewracania się jej na bok. Zjawisko takie zostało przewidziane przez ustawodawcę. Wymagania jakie powinna spełniać konstrukcja chroniąca operatora maszyny przy wywróceniu się określa norma PN-EN ISO 3471:2009
„Maszyny do robót ziemnych. Konstrukcje chroniące przy przewróceniu się maszyny. Wymagania i badania laboratoryj-ne”. Określa ona grupy maszyn, dla których obligatoryjne jest przeprowadzenie badań wytrzymałościowych, metodę badań, a w szczególności sposób przeprowadzenia próby dla różnych obciążeń, sposób mocowania konstrukcji na stanowisku badaw-czym oraz kryteria oceny z uwzględnieniem charakteru pracy, struktury oraz masy maszyny. Mianem konstrukcji chroniącej przy wywróceniu (ROPS) określony jest układ elementów konstrukcyjnych rozmiesz-czonych na maszynie w sposób istotnie zmniejszający stopień zagrożenia operatora przy przewróceniu się maszyny. Pod określeniem elementy konstrukcyjne kryją się: rama, wsporniki, zamocowanie, gniazda wsporcze, sworznie, śruby, zawieszenie lub elastyczne urządzenie do pochłaniania wstrząsów używane do zamocowania tego układu do ramy maszyny itp. Konstruktor opracowujący projekt powinien uwzględnić tzw. przestrzeń chronioną DLV określającą przestrzeń, która na skutek odkształceń konstrukcji przy przewróceniu się maszyny lub po uderzeniu spadającego przedmiotu, nie może być naru-szona. Jest to prostopadłościenne odwzorowanie wysokiego, siedzącego mężczyzny – operatora w normalnej odzieży i kasku ochronnym. Wymiary i parametry przestrzeni DLV określa norma PN-EN ISO 3164:2009 „Maszyny do robót ziemnych – Laborato-ryjna ocena konstrukcji chroniących operatora – Wymagania dotyczące przestrzeni chronionej” (rys.4). Charakterystyczne punkty makiety to:• LA- oś ustalająca, odpowiadająca teoretycznej osi obrotu
tułowia względem ud siedzącego operatora,• LP- punkt ustalający, znajdujący się na przecięciu się osi
ustalającej i osi symetrii przestrzeni chronionej – punkt pokrywający się z punktem wyznaczonym na siedzisku.
Makietę wykorzystuje się do symulacji wypadku, więc musi być ona zrobiona z takiego materiału, aby były widoczne wszelkie ślady związane z naruszeniem jej przez konstrukcję chroniącą operatora lub przez elementy jej wyposażenia.
Rys. 4. Makieta DLV – przestrzeń chroniona
Od konstrukcji chroniącej ROPS wymagana jest wytrzyma-łość na działanie sił w kierunku bocznym, pionowym i wzdłuż-nym oraz pochłanianie energii w kierunku bocznym. Zakłada się, że podczas prób, przy obciążeniu bocznym konstrukcja ROPS ugnie się, zachowując jednak zdolność do przenoszenia pozostałych obciążeń. Konstrukcja chroniąca spełnia wymagania, jeśli podczas prób nie zostanie naruszona przestrzeń DLV (rys. 4).
górnictwo odkrywkowe
21
Dla maszyn należących do grupy: ładowarka, spycharka ciągnikowa, układarka rur, ugniatarka, ładowarki ze stero-waniem burtowym, koparko-ładowarka i koparki do rowów, których masa znajduje się w zakresie od 10 000 do 128 000 kg, wymagane wartości sił i energii opisane są następującymi za-leżnościami:
gdzie:M - Masa maszyny [kg],Fb - Siła przy obciążeniu bocznym [N],U - Energia pochłonięta [J],Fp - Siła przy obciążeniu pionowym [N],Fw - Siła przy obciążeniu wzdłużnym [N]. W przypadku analizowanej konstrukcji chroniącej operato-ra, masa maszyny wynosi 23 800 kg, stąd wartości minimalne sił, które ustrój musi przenieść bez naruszenia przestrzeni chronionej są następujące:
Fb = 169 841 N, (5)
Fp = 466 718 N, (6) Fw = 135 873 N. (7)
Przy obciążeniu bocznym dodatkowo ustrój musi pochło-nąć energię o wartości:
U = 36 951 J (8)
Próbę obciążenia bocznego prowadzi się aż do momentu spełnienia obu warunków, najczęściej oznacza to, że obciążenie siłą boczną jest znacznie większe od wymaganego i jest prowa-dzone do momentu pochłonięcia energii. Analiza numeryczna prowadzona jest w sposób przyrostowy z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Ponieważ trudno jest z góry oszacować wartość obciążenia bocznego, przy którym kon-strukcja spełni oba warunki jednocześnie, analizę numeryczną prowadzono w dwóch etapach:• etap I – zwiększanie obciążenia siłą boczną aż do momentu
zniszczenia (przyrosty przemieszczenia),• etap II – ponowna analiza, kolejne obciążanie siła boczną
W pierwszym etapie wyznaczono charakterystykę pracy konstrukcji chroniącej, określającą zależność przyrostu siły bocznej w funkcji przemieszczenia. Analizę przeprowadzono aż do momentu uzyskania założonego przemieszczenia w punk-cie przyłożenia siły. Po analizie wyznaczono wartości energii pochłoniętej zgodnie z zaleceniami zawartymi w PN według zależności (9) i rysunku 7.
Rys. 7. Krzywa zależności siła – ugięcie przy obciążaniu
Określono moment zniszczenia, który można przyjąć jako moment, gdy uplastycznieniu ulegnie cały przekrój słupów (rys. 8 i 9), bądź, gdy charakterystyka siła-ugięcie osiągnie maksimum (rys. 8).
Rys. 5. Punkt przyłożenia obciążenia bocznego do dwu i cztero-słupowej konstrukcji chroniącej
Rys. 6. Sposób obciążenia siłą pionową i wzdłużną dwusłupowej konstrukcji chroniącej
Rys. 8. Charakterystyki siły i energii w funkcji przemieszczenia wyznaczone w punkcie przyłozenia siły
W momencie osiągnięcia przez siłę boczną wartości obciążenia równej: Fbn = 354 000 N, (10)
uplastycznieniu uległy całe przekroje słupów i ten moment uznano za zniszczenie. Do tego momentu konstrukcja pochło-nęła energię o wartości:
Un = 42 006 J, (11)
więc spełniła wymagania dotyczące obciążenia bocznego. Wyznaczono jednocześnie wartość siły, dla której konstrukcja spełnia jednocześnie dwa warunki dotyczącej minimalnej przenoszonej siły oraz pochłoniętej energii. Wyniki dla po-szczególnych przyrostów przemieszczenia zestawiono w tabeli 1. Wartość obciążenia siła boczną, dla którego zostały spełnione warunki określone normą, wynosi:
Fbn = 346 900 N, (12)
Po wyznaczeniu charakterystyk siły i energii oraz kre-śleniu momentu zniszczenia konstrukcji chroniącej operatora przystąpiono do II etapu analizy. Zgodnie z PN-EN 3471:2009 „Maszyny do robót ziemnych. Konstrukcje chroniące przy przewróceniu się maszyny. Wymagania i badania laboratoryjne” zostały kolejno przyłożone obciążenia: 1. siłą boczna, 2. siłą pionowa, 3. siłą wzdłużna. Ponieważ konstrukcja w przypadku siły bocznej pochłania wymaganą energię przy znacznie większej od wymaganej war-tości siły w analizie obciążono konstrukcję siłą boczną, przy której konstrukcja spełnia warunek pochłanianej energii.
Kolejność i wartości obciążenia są następujące:1. Siła boczna Fb= 346 900 N – wartość pochłoniętej energii
wynosi 37 819 J2. Siła pionowa Fp= 466 718 N3. Siła wzdłużna Fw= 135 873 N
Wyniki przedstawiono na następujących rysunkach:dla siły bocznej - rys. 10,dla siły pionowej - rys. 11,dla siły wzdłużnej - rys. 12.
Tab. 1. Wartość przeniesionej siły i pochłoniętej energii w funkcji przemieszczenia (kolor zielony - osiągnięcie wymaganej siły, kolor żółty - osiągnięcie wymaganej energii, kolor czerwony – zniszczenie w momencie uplastycznienia słupów, kolor pomarańczowy – zniszczenie, przyjęte jako moment osiągnięcia maksymalnej siły.
Rys. 12. Warstwice odkształceń plastycznych dla siły wzdłużnej (widok z przodu) (skala deformacji 3:1)
Rys. 11. Warstwice odkształceń plastycznych dla siły pionowej (widok z przodu) (skala deformacji 3:1)
Rys. 10. Warstwice odkształceń plastycznych dla siły bocznej (widok z przodu) (skala deformacji 3:1)
górnictwo odkrywkowe
24
Analiza wyników i wnioski końcowe
Opracowany model dyskretny konstrukcji chroniącej opera-tora samojezdnej maszyny wiertniczej typu face Master 2.3NV poddano numerycznej symulacji obciążeń, zgodnie z PN-EN ISO 3471:2009 „Maszyny do robót ziemnych. Konstrukcje chroniące przy przewróceniu się maszyny. Wymagania i badania laboratoryjne”. Badania symulacyjne dla tego typu konstrukcji należy wykonać w dwóch etapach. Etap I – wyznaczenie mo-mentu zniszczenia oraz charakterystyk związanych z obciąże-niem bocznym. Należy go wykonać stosując nieliniową analizę statyczną z procedurą przyrostową, w której zmieniane jest przemieszczenie. Etap II – przeprowadzenie właściwej analizy wytrzymałościowej, powinien być wykonany w odmienny spo-
sób. Mianowicie, należy zmieniać wartości obciążeń wg cha-rakterystyk zaproponowanych i pokazanych przez autorów na rysunku 13. Wymagane jest uwzględnienie w analizie zjawisk kontaktowych oraz nieliniowości geometrycznej i fizycznej [4]. Przy tym należy pamiętać o kryterium oceny, którym oprócz warunków wytrzymałościowych związanych z obciążeniem jest kryterium maksymalnych ugięć. Makieta DLV nie może zostać naruszona przez konstrukcję chroniącą operatora oraz żaden element jej wyposażenia. Tylko w przypadku, gdy kierunek obciążenia jest prostopadły do tylnej powierzchni makiety DLV (plecy operatora), dopuszczalne jest odchylenie o wartości 15 stopni. W niniejszym badaniu konstrukcja chroniąca operato-ra spełniła minimalne wymagania określone zgodnie PN EN 3471:2009.
Rys. 13. Charakterystyki zmian obciązenia dla II etapu analizy
Literatura
[1] Literatura [1] Kowalczyk M., Smolnicki T., Stańco M.: wybrane aspekty kształtowania wytrzymałościowego ram przestrzennych metodą
elementów skończonych. Transport Przemysłowy (2), 2008[2] Clark B., Perera N., Thambiratnam D.: enhancing the impact energy absorption in roll over protective structures. interna-
tional Journal of crashworthiness 13(2), Taylor & francis Ltd., 2008. [3] Rusiński, E.: Metoda elementów skończonych- system cosmos/M. Wydawnictwo Komunikacji i łączności, Warszawa, 1994[4] Rusiński E., Czmochowski J., Smolnicki T.: Zaawansowana metoda elementów skończonych. Oficyna Wydawnicza Poli-
techniki Wrocławskiej, Wrocław 2000.[5] Zienkiewicz O. C.Taylor R. L.: the Finie element Metod. Fourth edition. Vol. 1 and Vol. 2., Mcgraw-Hill, England 1991.
Artykuł recenzował dr hab. inż. tadeusz Smolnicki, prof. nadzw. Pwrrękopis otrzymano 7.05.2010 r. *2188
