XV Seminarium NIENISZCZĄCE BADANIA MATERIAŁÓW Zakopane, marca 2009

Transkrypt

1 XV Seminarium NIENISZCZĄCE BADANIA MATERIAŁÓW Zakopane, marca 2009 WYKORZYSTANIE ANALIZ MES W PROJEKTOWANIU UMIWERSALNEJ GŁOWICY POMIAROWEJ CIĘGIEN LIN Jerzy KWAŚNIEWSKI, Tomasz KRAKOWSKI, Hubert RUTA Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków 1.Wstęp W 2000 roku pojawiły się pierwsze informacje o urządzeniu nowej generacji o nazwie "Gen2". To urządzenie w porównaniu z konwencjonalnymi dźwigami jest o około 30-40% bardziej efektywne energetycznie, ma w 70% zmniejszoną emisję akustyczną związaną z pracą napędu, jest bezpieczniejsze i bardziej niezawodne oraz gwarantuje spokojny ruch kabiny (drgania zostały zmniejszone o około 50%). Podstawowym elementem tego typu dźwigu decydującym o jego nowoczesności są opatentowane cięgna nośne, które zastąpiły dotychczas stosowane liny stalowe. Cięgno składa się z linek stalowych o średnicy 1,6 mm zatopionych w osnowie poliuretanowej. Każda linka składa się z 7 splotek złożonych z 7 drutów każda, co dla pasa o szerokości 30 mm zbudowanego z 12 linek daje 588 drutów o średnicy 0,18 mm każdy. (Rys.1) Nieodkrętność konstrukcji uzyskana została dzięki naprzemiennemu ustawieniu linek o prawym i lewym kierunku zwicia (momenty odkrętu redukują się). Cięgna mają taką samą wytrzymałość jak tradycyjne liny stalowe (np. dla cięgna o szerokości 30 mm do 36 kn) ale są przy tym bardziej elastyczne, dzięki czemu mogą współpracować z wałami napędowymi o średnicy 100 mm (80% mniej niż średnica kół napędowych w tradycyjnych urządzeniach dźwigowych). Dużą zaletą cięgien jest to, że mogą przepracować 3x10 6 cykli, mają 2-3 razy większą trwałość w stosunku do tradycyjnych lin stalowych, charakteryzują się małym wydłużeniem wynoszącym do 0,4 mm/m. Zastosowanie poliuretanowej osnowy eliminuje konieczność konserwacji cięgien oraz zwiększa tarcie między cięgnem a wałem pędnym. Płaski kształt powoduje zwiększenie powierzchni styku, co również wpływa w istotny sposób na rozkład naprężeń. [6][7] Rysunek 1. Cięgno stalowo poliuretanowe 127

2 Stosowanie powłoki poliuretanowej powoduje jednak utrudnienia w ocenie stanu technicznego linek. Niemożliwa jest ich wizualna kontrola. Według instrukcji firmy Otis, dotyczącej badania pasów nośnych, po upływie 5 lat od dopuszczenia dźwigu do ruchu, muszą być one kontrolowane co najmniej raz w roku lub wymienione na nowe. Według tejże instrukcji kontrola ta przeprowadzona może być z wykorzystaniem zainstalowanego na stałe lub przenośnego przyrządu RBI oraz kontroli wzrokowej. [6] Badania przeprowadzone w Laboratorium AGH-KTL udowodniły, że możliwe jest zastosowanie defektoskopii magnetycznej do badania tego rodzaju cięgien. Wyniki badań przedstawione zostały przez dr hab. inż. J. Kwaśniewskiego prof. AGH w referacie Dźwigi nowej generacji implementacja metody magnetycznej w badaniach cięgien nośnych. [4] W prezentacji przedstawiona została głowica o symbolu GPGen umożliwiająca badanie jednego cięgna linowego. (Rys.2.) Rysunek 2. Głowica GPGen Badania cięgien z wykorzystaniem tejże głowicy, wykonane w warunkach laboratoryjnych na cięgnie o szerokości 30 mm z zamodelowanymi uszkodzeniami, wykazały czułość przyrządu na poziomie 0,85% ubytku całego przekroju metalicznego cięgna. Taka czułość oznacza, że możliwe jest wykrycie pęknięcia 5 z 588 drutów w jednym przekroju. (Rys.3) Czułość przyrządu na tym poziomie ubytku przekroju jest zadowalająca. Rysunek 3. Przekrój pasa z pięcioma pękniętymi drutami. (Pęknięcie 5 drutów o średnicy 0,18 mm niekonsekwencja (0,85 % przekroju metalicznego)-sygnał ok. 15 mv.) 2. Wykorzystanie Metody Elementów Skończonych w projektowaniu głowicy Pozytywne wyniki badań prototypu głowicy GPGen skłoniły do rozpoczęcia prac nad stworzeniem urządzenia, które umożliwi jednoczesne badanie wszystkich pasów, na których zawieszona jest kabina. Obecnie eksploatowane dźwigi typu Gen2 posiadają trzy, cztery lub pięć cięgien, ich rozstaw jest różny i zależy od udźwigu oraz szerokości cięgna (30, 45, 60 mm). Dla szybkiej oceny stanu cięgien opracowano koncepcję budowy uniwersalnej głowicy obejmującej do 5 cięgien jednocześnie, współpracującej z rejestratorem wielokanałowym. Warunkiem koniecznym do osiągnięcia wysokiej wykrywalności wad jest uzyskanie odpowiedniego poziomu namagnesowania badanych cięgien. Charakter rozkładu pola magnetycznego w obwodzie głowicy, stopień namagnesowania poszczególnych jej elementów oraz straty strumienia magnetycznego są uwarunkowane wieloma czynnikami takim jak: rodzaj źródła pola magnetycznego; wymiary, kształt oraz własności magnetyczne 128

3 wszystkich składowych elementów obwodu magnetycznego oraz wzajemne relacje pomiędzy tymi elementami. Celem zapewnienia odpowiednio wysokiej wartości indukcji pola magnetycznego w linkach (B 1,4T) wykonano szereg wariantowych analiz numerycznych z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych w oprogramowaniu CAE (Computer Aided Engineering) ANSYS Workbench. Zbiór tych analiz stanowi pewnego rodzaju wielokryterialną optymalizację obwodu magnetycznego, w której przez zmianę wejściowych parametrów technicznych (zmiennych projektowych) wpływano na wybrane funkcje celu takie jak: masa urządzenia, odpowiednie własności metrologiczne urządzenia, uzyskanie wysokiej wartości indukcji pola magnetycznego itp. Wnioskowanie przeprowadzono na podstawie wyników w postaci graficznej wektorowej (rys.4) jak i konturowej (rys.5) oraz na podstawie wyników numeryczne z wybranych punktów obwodu magnetycznego. Rysunek 4. Wektorowa prezentacja rozkładu pola magnetycznego w przekroju poprzecznym głowicy magnetycznej. Rysunek 5. Konturowa prezentacja rozkładu pola magnetycznego w przekroju poprzecznym głowicy magnetycznej.. 129

4 Dzięki nowemu podejściu w projektowaniu urządzeń diagnostycznych i zastosowaniu MES, zminimalizowano koszty związane z wykonaniem prototypu, dokonano wstępnej symulacji, która potwierdziła funkcjonalność urządzenia. Analizy umożliwiły optymalny dobór wymiarów magnesów trwałych, co ściśle wpływa na wartość strumienia magnetycznego, a tym samym na wartości indukcji pola magnetycznego zgodnie z zależnością Ф=B S. Zwrócono również uwagę na masę urządzenia oraz na równomierny charakter rozkładu pola magnetycznego wzdłuż długości nabiegunnika, co w konsekwencji wpływa na równomierne namagnesowanie wszystkich badanych cięgien. Wykazano iż zbyt mały przekrój poprzeczny przez element obwodu magnetycznego może spowodować duże straty strumienia magnetycznego, ponieważ nie zostanie zapewniony swobodny jego przepływ, natomiast przewymiarowanie takiego elementu skutkuje wzrostem masy całego urządzenia. 3. Konstrukcja głowicy z czujnikiem segmentowym Istotą opatentowanego przez AGH rozwiązania według wynalazku [5] jest to, że posiada ono z jednej strony badanego cięgna korpus zawierający obwód magnetyczny z segmentowym czujnikiem, który ma możliwość równoczesnej regulacji rozstawu pojedynczych czujników w zależności od szerokości i rozstawu badanych cięgien. Rysunek 6. Głowica pomiarowa Uniwersalna głowica pomiarowa do równoczesnego badania do pięciu cięgien linowych (rys.6) składa się z korpusu, w którym umieszczony jest obwód magnetyczny składający się ze zwory, magnesów trwałych oraz nabiegunników. Obwód jest zamykany poprzez badane cięgna. W osi symetrii obwodu umieszczony jest segmentowy czujnik indukcyjny, hallotronowy lub indukcyjno-hallotronowy (rys.7), którego pojedyncze segmenty są połączone z mechanizmem układu liniowego ich przemieszczania. 130

5 Rysunek 7. Przekrój obwodu magnetycznego. Regulacja rozstawu pojedynczych czujników w zależności od szerokości i rozstawu badanych cięgien (rys.8) realizowana jest przez pokrętło połączone ze śrubą, na której znajduje się gwint o różnych skokach, wykonany w połowie jako lewo i prawoskrętny (jak dla śruby rzymskiej). W części środkowej śruba jest ustabilizowana mocowaniem obrotowym a obrót pokrętła powoduje równoczesne przemieszczanie pojedynczych czujników, dostosowując się do szerokości jak i rozstawu badanych cięgien. Rys.8. Działanie układu przemieszczania czujników pomiarowych. W miejscu wystąpienia uszkodzenia następuje zaburzenie pola magnetycznego wokół linek stalowych cięgna, które zostaje zarejestrowane przez pojedyncze czujniki czujnika segmentowego, przetwarzające to zaburzenie na sygnał elektryczny. Sygnał ten ulega dalszemu przetworzeniu w defektografie, rejestratorze napięciowym, lub komputerze. W wyniku prac projektowych oraz analiz rozkładu pola magnetycznego z wykorzystaniem MES powstał pierwszy egzemplarz głowicy GPGen2 (Rys.9.). W skład układu pomiarowego oprócz głowicy wchodzi również rejestrator wielokanałowy (Rys.9.), który ma możliwość jednoczesnej rejestracji sygnału pochodzącego ze wszystkich czujników głowicy. Umożliwia on określenie stopnia zużycia linek stalowych wchodzących w skład cięgien, co nie powoduje długiego wyłączenia urządzenia z użytku. Wyniki zapisywane są w formie cyfrowej i analogowej. Badanie kończy się opracowaniem protokołu z opisem występujących uszkodzeń i obliczonym stopniem zużycia linek stalowych (% ubytku przekroju nośnego). 131

6 Rysunek 9. Głowica GPGen2 i rejestrator wielokanałowy. 4. Możliwości prognozowania zużycia cięgna stalowo - poliuretanowego Pasy stalowo-poliuretanowe podobnie jak liny stalowe należą do obiektów charakteryzujących się ograniczoną trwałością a ich proces zużyciowy jest nieodwracalny. Bezpieczna eksploatacja możliwa jest do chwili osiągnięcia określonego poziomu zużycia (umownej wartości dopuszczalnej), po przekroczeniu którego cięgno staje się niezdatne do dalszej eksploatacji i musi zostać wymienione na nowe. (Rys.10.) Rysunek 10. Krzywa życia liny stalowej. [3] Stan niezdatności zostaje osiągnięty w wyniku kumulacji różnego rodzaju uszkodzeń, które według przyjętych kryteriów przekraczają wartość graniczną. Kryteria odkładania mogą bazować na ubytku przekroju metalicznego, dopuszczalnej liczby złomów drutów, zmianie wymiarów badanego obiektu, stopnia deformacji oraz zużycia tworzywa będącego integralną częścią struktury mechanicznej. W większości przypadków lin stalowych kryteria odkładania określone są jako dopuszczalna liczba pękniętych drutów lub dopuszczalny ubytek przekroju metalicznego. Występujące uszkodzenia sumują się na długości kilku lub kilkudziesięciu wielokrotności średnic liny. Określenie wymiarów cięgna, deformacji oraz zużycia tworzywa możliwe jest poprzez kontrolę wizualną. Wyznaczenie ubytku przekroju metalicznego oraz liczby pękniętych drutów umożliwia stosowanie metody magnetycznej i omawianej głowicy. Wartości liczbowe kryteriów odkładania ustalone są w przepisach prowadzenia ruchu i normach właściwych dla danego urządzenia transportu linowego. Dla lin stalowych stosowanych w dźwigach osobowych wartości liczbowe kryteriów odkładania nie są określone. Liny tam pracujące poddawane są jedynie kontroli wzrokowej realizowanej przez konserwatorów i pracowników dozoru technicznego. [3] 132

7 W przypadku cięgien stalowo poliuretanowych oględziny wzrokowe nie dają informacji o stanie linek stalowych, dlatego też konieczne jest wyznaczenie kryteriów odkładania dla tych obiektów. Ich określenie będzie możliwe dzięki przeprowadzeniu badania trwałości zmęczeniowej w zamodelowanych warunkach obciążeniowych. Badania te przeprowadzone zostaną na specjalnie do tego celu skonstruowanej maszynie zmęczeniowej (Rys.11.). W celu odzwierciedlenia rzeczywistych warunków pracy cięgna w układzie stanowiska przyjęto olinowanie identyczne jak w rzeczywistym obiekcie. Wyznaczenie trwałości zmęczeniowej polegać będzie na określeniu tempa zużycia zmęczeniowego oraz wynikającego z niego osłabienia wytrzymałości cięgna w funkcji wykonanych cykli. Konieczne będzie określenie korelacji pomiędzy stopniem zużycia cięgna wyznaczonym na podstawie badań magnetycznych, a wynikami otrzymanymi z badań wytrzymałościowych. Badania pozwolą na wyznaczenie czasu bezpiecznej pracy cięgna w Rysunek 11. Maszyna zmęczeniowa do badania cięgien stalowo poliuretanowej dźwigów Gen2. warunkach zbliżonych do rzeczywistych. Określenie aktualnego poziomu zużycia na podstawie złomów zmęczeniowych drutów będzie możliwe dzięki zastosowaniu na stanowisku głowicy GPGen. W wyznaczeniu kryteriów odkładania wykorzystane będą również wyniki badań przeprowadzonych na rzeczywistych obiektach z zastosowaniem metody magnetycznej i głowicy GPGen2. 5. Literatura [1] Kawecki Z. Stachurski J.: Defektoskopia magnetyczna lin stalowych, Wydawnictwo Śląsk, Katowice [2] Kwaśniewski J.: Dźwigi osobowe i towarowe, Wydawnictwa AGH, Kraków [3] Tytko A.: Eksploatacja lin stalowych, Śląsk sp. z o.o. Wydawnictwo Naukowe, Katowice [4] Kwaśniewski J.: Dźwigi nowej generacji implementacja metody magnetycznej w badaniu cięgien nośnych. Trzynaste Seminarium - Nieniszczące Badania Materiałów, Zakopane marca [5] Kwaśniewski J., Krakowski T., Molski Sz., Projekt wynalazczy P , Głowica do badania cięgien linowych. 133

8 [6] Materiały reklamowe firmy Otis [7] Materiały reklamowe firmy ContiTech 134