ANALIZA STATECZNOŚCI NOWEGO WOZU WIERCĄCO-ŁADUJĄCEGO PRZEZNACZONEGO DLA GÓRNICTWA

Transkrypt

1 Jan Marianowski, Marek Halwa Analiza stateczności nowego wozu wiercąco-ładującego przeznaczonego dla górnictwa ANALIZA STATECZNOŚCI NOWEGO WOZU WIERCĄCO-ŁADUJĄCEGO PRZEZNACZONEGO DLA GÓRNICTWA Jan MARIANOWSKI *, Marek HALWA ** * Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Akademia Górniczo-Hutnicza, Al.Mickiewicza 30, Kraków ** SOFIR Polska Sp.z o.o., ul.lędzińska 18, Lędziny janmar@agh.edu.pl, marek.halwa@sofir-group.com Streszczenie: W artykule przedstawiono wykonany w ramach projektu celowego prototyp nowego samojezdnego wozu wiercąco-ładującego przeznaczonego do prac w górnictwie węglowym i w górnictwie rud. Szczególną uwagę poświęcono procedurom i analizie stateczności urządzenia. Wykazano, że o stateczności urządzenia decydują wzajemne położenia manipulatora wiertniczego oraz łyżki ładowarki. 1. WPROWADZENIE Coraz trudniejsze warunki eksploatacji górniczej związane ze schodzeniem na coraz większe głębokości eksploatacji pokładów i związane z tym spektakularne wypadki w ostatnich latach, przy jednoczesnym nacisku na ekonomiczną stronę procesu pozyskiwania kopalin spowodowały konieczność stosowania bardzo mobilnych urządzeń górniczych. Górnicze urządzenie wiercąco-ładujące spełnia wszystkie normy bezpieczeństwa budowy przeciwwybuchowej i inne, posiada niewielkie rozmiary (aby móc manewrować w wąskich i niskich chodnikach górniczych) oraz dysponuje dużą mocą niezbędną do: wiercenia długich otworów strzałowych w najtwardszych skałach z bardzo dużą prędkością; oraz załadunku, transportu i wyładunku urobku. Jednocześnie zapewnia duży komfort i bezpieczeństwo pracy operatora. Rys.1. Wóz wiercąco-ładujący (widok z boku) Cykl prac badawczo-rozwojowych (Halwa, 2009; Kalukiewicz i Marianowski, 2007a, b, c), dzięki którym powstało urządzenie, obejmował trzy fazy. 1. W pierwszej fazie kolejne zadania związane były z identyfikacją szczegółowych warunków pracy konstruowanej maszyny, opracowaniem wariantów i koncepcji konstrukcji maszyny. W oparciu o w/w analizę i wybór optymalnego rozwiązania, opracowano projekt wstępny i założenia techniczno-ekonomiczne dla nowej konstrukcji. 2. Realizacja wymienionych zadań umożliwiła przejście do drugiej fazy prac związanych z opracowaniem projektu prototypu maszyny, a mianowicie opracowanie projektu wstępnego, weryfikację konstrukcji oraz stabilności statycznej i dynamicznej w oparciu o badania symulacyjne, opracowanie dokumentacji techniczno-ruchowej dla prototypu wozu i w końcu wykonanie prototypu. 3. Trzecia faza zadań obejmowała zadania mające na celu weryfikację konstrukcji na podstawie badań wykonanego prototypu. Zadania obejmowały testy stanowiskowe u producenta maszyny, oraz badania przemysłowe w wytypowanej kopalni. Opracowanie wyników badań stanowiło podstawę do weryfikacji założeń technicznoekonomicznych i sformułowania wytycznych dla wykonania dokumentacji technicznej i technologicznej maszyny. Równolegle z tworzeniem dokumentacji technicznej i technologicznej maszyny przeprowadzono badania zgodności rozwiązania konstrukcji z dyrektywami UE. Opracowano dokumentację techniczno-ruchową (DTR) wozu oraz ocenę stateczności urządzenia, w oparciu o które Wytwórca uzyskał certyfikat (Certyfikat Badań Typu WE nr KOMAG/09/MD/ ATEX/ST/175) dopuszczający stosowanie urządzenia w warunkach kopalń podziemnych. Zrealizowany prototyp urządzenia wiercąco-ładującego, Rys. 1, składa się z czterech modułów, odpowiedzialnych za przynależne mu zadania. Pierwszy moduł zawiera elementy jazdy: gąsienice, ramę główną z wydzielonym stanowiskiem operatora i pulpit sterowania hydraulicznego. Moduł drugi (tylni) zawiera kompletną jednostkę napędową złożoną z silnika elektrycznego oraz układu pomp hydraulicznych, układu zasilania i sterowania elektrycznego oraz zbiornika cieczy hydraulicznej. W tym module realizowana jest diagnostyka pomiarowa parametrów pracy 114

2 acta mechanica et automatica, vol.4 no.2 (2010) maszyny, i co najważniejsze, jest on ważnym elementem statycznej równowagi całego urządzenia. Moduł trzeci i czwarty odpowiednio realizują prace wiertnicze i załadowcze, Zlokalizowane są z przodu maszyny, pracując w układzie wzajemnie skorelowanym, z możliwością dopasowania parametrów pracy do wymaganych celów produkcyjnych. Do wszystkich prac projektowych użyte zostały metody modelowania 3D przy projektowaniu z wykorzystaniem najnowocześniejszego oprogramowania CAD i wizualizacji z wykorzystaniem modeli wirtualnych dla zapewnienia optymalnego kształtu konstrukcyjnego i rozmieszczenia elementów konstrukcyjnych maszyny ze szczególnym uwzględnieniem ergonomii obsługi oraz zastosowanie weryfikacji wytrzymałości metodą elementów skończonych MES przy wykorzystaniu zaawansowanego oprogramowania CAE wspomagającego obliczenia inżynierskie. 2. BUDOWA WOZU WIERCĄCO-ŁADUJĄCEGO jest poprzecznie na tylnej części ramy. Znajduje się tutaj również zbiornik oleju z filtrem, czujnikiem poziomu oleju i czujnikiem temperatury. Olej schładzany jest w powietrznej chłodnicy oleju napędzanej silnikiem hydraulicznym. Agregat wyposażony jest w zespół odpowietrzający połączony ze zbiornikiem. W tylnej części agregatu nad pompami znajduje się zespół pomiarowo-kontrolny Zespół ładujący Zespół ładujący przytwierdzony do ramy podwozia i stanowiący razem z podwoziem ładowarkę, Rys. 2, składa się z: łyżki o pojemności 0,6m 3, układu hydraulicznego; podestu operatora. Zespół wysięgnika ładowarki realizuje następujące ruchy: podniesienie wysięgnika +450; wychylenie wysięgnika ±300; wysuw wysięgnika 620mm. Wóz wiercąco-ładujący WUŁ-1 jest wielofunkcyjną maszyną na podwoziu gąsienicowym. Posiada moduł wiertniczy oraz ładujący i jest przeznaczony do: drążenia górniczych wyrobisk korytarzowych lub komorowych nachylonych podłużnie maksymalnie do ±8 o a poprzecznie maksymalnie do ±6 o ; drążenia górniczych wyrobisk korytarzowych lub komorowych umożliwiających zastosowanie (MAX) odrzwi łukowych podatnych ŁP z kształtowników typu V o wielkości 12; zmechanizowanego wiercenia otworów strzałowych o średnicy od 38mm do 76mm i długości do 15m w skałach o różnej wytrzymałości na ściskanie (przyjęto docelowo 150MPa); ładowania urobionej skały do wozów kopalnianych, wozów odstawczych lub na środki odstawy ciągłej tj. przenośniki zgrzebłowe lub taśmowe. Wóz wiercąco-ładujący składa się z trzech podstawowych zespołów: zespół napędu i jazdy, zespołu ładującego, manipulatora wiertniczego Zespół napędu i jazdy Zespól napędu i jazdy jest nośnikiem wszystkich zespołów roboczych wozu i tworzą go: rama nośna, wózki gąsienicowe, agregat elektro-hydrauliczny, układ hydrauliczny (wyposażenie), wyposażenie elektryczne, osłona operatora. Rama jest konstrukcją spawaną, do której przytwierdzone są wózki gąsienicowe oraz na której posadowiony jest agregat hydrauliczny, układ hydrauliczny oraz wyposażenie elektryczne. Przednia część ramy jest przystosowana do mocowania zespołu ładującego, tylna część ramy posiada wsporniki do posadowienia przeciwciężaru. Wózek gąsienicowy składa się z ramy wózka, zespołu napędowego, zespołu do napinania łańcucha, rolek nośnych oraz łańcucha gąsienicowego. W skład zespołu napędowego wchodzi trzystopniowa przekładnia zębata, koło napędowe, silnik hydrauliczny oraz hamulec wielopłytkowy. Agregat hydrauliczny wyposażony jest w dwustrumieniową pompę zespoloną o zmiennym wydatku napędzaną poprzez elastyczne sprzęgło silnikiem elektrycznym. Całość umocowana Rys. 2. Zakres pracy łyżki zespołu ładującego 2.3. Manipulator wiertniczy Manipulator wiertniczy, Rys. 3, Rys. 4, Rys. 5, składa się z następujących podzespołów: zespołu wysięgnika lawety, węzła łączącego wysięgnik z lawetą, lawety TECHMO, wiertarki, układu sterowania. Zespół manipulatora wiertniczego realizuje następujące ruchy: podnoszenie wysięgnika ; wychylenie wysięgnika ±450; wysuw wysięgnika 1250mm; obrót lawety ±1800; wysuw prowadnicy 1000mm. 115

3 Jan Marianowski, Marek Halwa Analiza stateczności nowego wozu wiercąco-ładującego przeznaczonego dla górnictwa Nietrudno zauważyć, że tak laweta manipulatora wiertniczego jak i łyżka ładowarki zajmować mogą położenia w znacznej odległości od osi układu napędowego i jazdy. Ponieważ sytuacja ta mogłaby być przyczyną utraty stateczności maszyny, przeprowadzono szczegółową analizę rozłożenia mas (ciężarów) głównych elementów celem oszacowania, czy występujące skrajne położenia manipulatora i łyżki nie przyczynią się do znalezienia się maszyny w niebezpiecznym dla operatora jak i samej maszyny stanie. 3. BLICZENIA STATECZNOŚCI WOZU WIERCĄCO-ŁADUJĄCEGO 3.1. Założenia Rys. 3. Zakres pracy manipulatora wiertniczego (widok z boku) Rys. 4. Zakres pracy manipulatora wiertniczego (widok z góry) Zgodnie z obowiązującymi normami (Halwa, 2009; Kalukiewicz i Marianowski, 2007a) dotyczącymi wiertnic, współczynnik stateczności sprecyzowano tak dla stateczności podłużnej jak i dla stateczności poprzecznej maszyny. Do obliczeń przyjęto, że wóz wiercąco-ładujący będzie pracować na nachyleniu wzdłużnym 8 0 i poprzecznym 6 0, zgodnie z założeniami dotyczącymi funkcjonalności maszyny. Przyjęto cztery najmniej korzystne konfiguracje manipulatora wiertniczego oraz łyżki ładowarki w powiązaniu z położeniami maszyny: wóz wiercąco-ładujący znajduje się w wyrobisku o poprzecznym nachyleniu 6 0 z wysuniętym wysięgnikiem lawety manipulatora ustawionym równolegle do osi maszyny, wóz wiercąco-ładujący znajduje się na nachyleniu o upadzie 8 0 z wysuniętym teleskopem ramienia łyżki i łyżką ładowarki z ładunkiem, wóz wiercąco-ładujący znajduje się w wyrobisku o poprzecznym nachyleniu 6 0 i wysuniętym wysięgnikiem lawety oraz wychyloną w bok lawetą wiertniczą, wóz wiercąco-ładujący znajduje się na nachyleniu o upadzie 8 0 z wysuniętym wysięgnikiem lawety oraz wychyloną w bok lawetą wiertniczą. Poniżej w Tab. 1 zestawiono masy poszczególnych elementów, które zostały wzięte pod uwagę w obliczeniach. Ciężary pochodzące od wyszczególnionych mas a wynikające z grawitacji zaznaczono na Rys. 6, Rys. 7, Rys. 8 i Rys.9. Tab. 1. Masy poszczególnych elementów wozu wiercąco- ładującego (Halwa, 2009) Nazwa elementu Masa [kg] Masa podwozia 6050 Masa wysięgnika ładowarki z łyżką pustą 830 Masa wysięgnika lawety z lawetą i wiertarką 1120 Masa wysięgnika ładowarki z łyżką pełną 1600 Całkowita masa maszyny c-a 8000 Rys.5. Zakres pracy manipulatora wiertniczego (widok z tyłu) Stateczność urządzenia dla wyszczególnionych sytuacji i położeń elementów wozu wiercąco-ładującego określano wg relacji (1) jak poniżej M = M k Ui (1) Wi gdzie: k współczynnik stateczności, ΣM Ui suma momentów ustalających, ΣM Wi suma momentów wywracających. Momenty ustalające i wywracające określano każdorazowo względem potencjalnego punktu obrotu maszyny. 116

4 acta mechanica et automatica, vol.4 no.2 (2010) 3.5. Podłużna stateczność maszyny przy wysuniętym oraz przy poprzecznym nachyleniu podłoża wyrobiska (spągu) o kąt 6 0 W sytuacji jak przedstawiona na Rys. 8, wysięgnik lawety nad spągiem. Jest to pozycja przed operacja wiercenia. Na Rys. 8 (po prawej) przedstawiono omawianą sytuację 3.6. Poprzeczna stateczność maszyny przy wysuniętym oraz przy podłużnym nachyleniu (upadzie) podłoża wyrobiska (spągu) o kąt 8 0 Rys. 6. Schemat obciążenia maszyny przy poprzecznym nachyleniu podłoża wyrobiska (Halwa, 2009) 3.2. Stateczność maszyny złożonej przy poprzecznym nachyleniu podłoża wyrobiska (spągu) o kąt 6 0 W sytuacji jak przedstawiona na Rys. 6, wysięgnik lawety jest złożony i cofnięty a laweta z wiertarką są cofnięte maksymalnie do tyłu. Wysięgnik ładowarki jest złożony, sama łyżka spoczywa nad spągiem. Jest to pozycja transportowa maszyny. Na Rys. 6 przedstawiono omawianą sytuację 3.3. Stateczność maszyny przy podłużnym nachyleniu podłoża wyrobiska (upad) o kąt 8 0 W sytuacji jak na Rys. 7, wysięgnik ładowarki ustawiony jest równolegle do osi wzdłużnej podwozia, łyżka jest napełniona. Wysięgnik lawety jest złożony i cofnięty, a laweta z wiertarką są cofnięte maksymalnie do tyłu Poprzeczna stateczność maszyny przy wysuniętym oraz przy poprzecznym nachyleniu podłoża wyrobiska (spągu) o kąt 6 0 W sytuacji jak przedstawiona na Rys. 8, wysięgnik lawety nad spągiem. Jest to pozycja przed operacja wiercenia. Na Rys. 8 (po lewej) przedstawiono omawianą sytuację W sytuacji jak przedstawiona na Rys. 9, wysięgnik lawety nad spągiem. Jest to pozycja przed operacją wiercenia. Na Rys. 9 (po lewej) przedstawiono omawianą sytuację 3.7. Podłużna stateczność maszyny przy wysuniętym oraz przy podłużnym nachyleniu (upadzie) podłoża wyrobiska (spągu) o kąt 8 0 W sytuacji jak przedstawiona na Rys. 9, wysięgnik lawety nad spągiem. Jest to pozycja przed operacją wiercenia. Na Rys. 9 (po prawej) przedstawiono omawianą sytuację 3.8. Rezultaty obliczeń Rezultaty obliczeń zestawiono w Tab. 2. Tab. 2. Współczynniki stateczności k określone dla wyszczególnionych położeń podstawowych zespołów wozu oraz skrajnych sytuacji roboczych podczas jego pracy Sytuacja Moment wywracający [knm] Moment Ustalający [knm] Współczynnik stateczności k wg (1) Pkt 3.2 0,616 29,237 47,46 Pkt 3.3 3,902 9,329 2,83 Pkt ,061 32,343 1,40 Pkt , ,910 3,42 Pkt ,862 31,918 1,50 Pkt ,222 93,291 3,09 Minimalna wartość współczynnika stateczności wg PN-G (1997) i PN-EN 791 (1998) k=1,2 117

5 Jan Marianowski, Marek Halwa Analiza stateczności nowego wozu wiercąco-ładującego przeznaczonego dla górnictwa Rys. 7. Schemat obciążenia maszyny przy podłużnym nachyleniu wyrobiska nachyleniu podłoża (spągu) wyrobiska (Halwa, 2009) Rys. 8. Schemat obciążenia maszyny przy poprzecznym nachyleniu wyrobiska oraz maksymalnie wychylonym wysięgnikiem manipulatora lawety. Sytuacja początku wiercenia (pozycjonowanie lawety wiertniczej) (Halwa, 2009) Rys. 9. Schemat obciążenia maszyny przy podłużnym nachyleniu wyrobiska oraz maksymalnie wychylonym wysięgnikiem manipulatora lawety. Sytuacja początku wiercenia (pozycjonowanie lawety wiertniczej) (Halwa, 2009) 118

6 acta mechanica et automatica, vol.4 no.2 (2010) 4. UWAGI KOŃCOWE LITERATURA Z uwagi na szczupłość miejsca obliczenia stateczności wozu wiercąco-ładującego przedstawiono tylko w sposób fragmentaryczny. Nie umniejsza to jednak wartości pracy, która niejako może być modelowym przykładem rozwiązania zagadnienia. Na uwagę zasługuje zwartość prezentowanej konstrukcji, którą uzyskano dzięki kilku nowatorskim rozwiązaniom. Aby uzyskać możliwość pełnienia przez maszynę dwóch nie kolidujących (alternatywnie) ze sobą funkcji tj. wiercenia otworów strzałowych oraz załadunku, transportu i wyładunku odstrzelonej skały, zastosowano ruchomy składany manipulator wiertniczy. Zastosowano unikalnej konstrukcji składaną lawetę wiertniczą. Zastosowano teleskopowo składane wysięgniki manipulatora oraz ładowarki. Ponadto konieczność uzyskania możliwie małej szerokości konstrukcji wymaganej w transporcie szybowym była dość trudnym progiem do pokonania, który udało się autorom z sukcesem rozwiązać. 1. Halwa M. (2009), Obliczenie współczynnika stateczności wzdłużnej i poprzecznej wozu wiercąco-ładującego typ WUL-1, COMPENSUS Bytom [niepubl.]. 2. Kalukiewicz A., Marianowski J. (2007a), Opracowanie konstrukcji, wykonanie i badania prototypowego samojezdnego wozu wiercąco-ładującego WUŁ-1 do pracy w podziemnych kopalniach węgla kamiennego, Zadanie 3 Badania modelu układu sterowania urządzenia wiercącoładującego, Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków [niepubl.]. 3. Kalukiewicz A., Marianowski J. (2007b), Opracowanie konstrukcji, wykonanie i badania prototypowego samojezdnego wozu wiercąco-ładującego WUŁ-1 do pracy w podziemnych kopalniach węgla kamiennego, Zadanie 4 Opracowanie projektu wstępnego urządzenia wiercąco-ładującego, Akademia Górniczo-Hutnicza [niepubl.]. 4. Kalukiewicz A., Marianowski J. (2007c), Opracowanie konstrukcji, wykonanie i badania prototypowego samojezdnego wozu wiercąco-ładującego WUŁ-1 do pracy w podziemnych kopalniach węgla kamiennego, Zadanie 6 Badania symulacyjne kinematyki pracy urządzenia wiercącoładującego, Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków [niepubl.] 5. Marianowski J.(2009),Wóz urabiająco-ładujący WUŁ-1. Dokumentacja Techniczno-Ruchowa, COMPENSUS Bytom [niepubl.]. 6. Certyfikat Badań Typu WE nr KOMAG/09/MD/ ATEX/ST/175 (2009), Instytut Techniki Górniczej KOMAG Gliwice. 7. PN-G (1997), Ochrona pracy w górnictwie, Wiertnice, Wymagania bezpieczeństwa i ergonomii. 8. PN-EN 791 (1998), Wiertnice, Bezpieczeństwo. STABILITY ANALYSIS OF A NEW DRILLING AND LOADING TRUCK DESTINATED FOR MINING Abstract: In the article a prototype of a new self-propelled drilling and loading truck carried out within a purposeful draft has been presented. The truck was destined for operation: both in coal and ore mining. The particular attention has been given to stability procedures and analysis of this equipment. It was shown that an equipment stability depends on interacting positions of drill manipulator and loader shovel. Pracę wykonano w latach w ramach realizacji projektu celowego nr 6 ZR C/06856 finansowanego ze środków MNiSW. 119