Wykorzystanie systemów CAD w projektowaniu specjalistycznego uchwytu do transportu drewna

Transkrypt

1 Wykorzystanie systemów CAD w projektowaniu specjalistycznego uchwytu do transportu drewna Grzegorz Chomka, Jerzy Chudy, Karol Dzwonkowski, Maciej Kasperowicz Słowa kluczowe: uchwyt, modelowanie konstrukcji, analiza wytrzymałościowa. Streszczenie W artykule przedstawiono projekt specjalistycznego uchwytu do transportu drewna tartacznego w postaci dłużyc czy kłód. Konstrukcję uchwytu przeznaczono do zainstalowania na ładowarce. Obliczenia analityczne wsparto modelowaniem bryłowym i analizą statyczną MES. Wstęp W przemyśle drzewnym wszystkim maszynom i urządzeniom stawia się rosnące wymagania jakościowe oraz wydajnościowe. Prowadzi to do powstawania nowoczesnych i wyspecjalizowanych maszyn. W przemyśle drzewnym w ciągu ostatnich kilku lat nastąpił znaczny postęp technologiczny. Przykładowo w tartakach zwiększono liczbę maszyn, co bezpośrednio wpłynęło na zmniejszenie uciążliwość pracy oraz na czas jej wykonania i bezpieczeństwo. Dotyczy to zarówno urządzeń służących do przeróbki drewna jak i transportu wewnątrzzakładowego. Drewno jest jednym z najstarszych materiałów używanych w procesach gospodarczych. Świadczą o tym rosnące ceny drewna oraz stały wzrost jego zużycia [1]. Ustawa o lasach uchwalona przez Sejm Rzeczpospolitej Polskiej z 28 września 1991 r. znowelizowana 24 kwietnia 1997 r. ustala, że zasadniczym celem gospodarki leśnej jest (wg rozdz. 2, art..): zachowanie lasów i korzystnego ich wpływu na środowisko, warunki życia i zdrowie człowieka oraz równowagę przyrodniczą, ochrona lasów, ochrona gleb i terenów szczególnie narażonych na zniszczenie i uszkodzenie, ochrona wód powierzchniowych, produkcja drewna na zasadzie racjonalnej gospodarki drewnem oraz surowców i produktów ubocznego użytkowania [2]. Człowiek w swojej działalności gospodarczej pozyskuje drewno do wykorzystania w różnych dziedzinach przemysłu. Działalność ta ma na celu pozyskanie surowca z lasu oraz jego przetwórstwo w drewno okrągłe. Gospodarowanie zasobami leśnymi powinno być świadome i przemyślane, tak aby nie zagrażało zmianom w ekosystemie. Dlatego proces pozyskiwania drewna składa się z wielu planowych działań. Wśród nich należy wyróżnić: przygotowanie planu cięć, wykonanie prac zrębowych, transport surowca, a także przekazanie towaru nabywcy. Pozyskiwanie drewna musi być prowadzone w taki sposób, by możliwe było odnowienie lasu oraz ponowne wyhodowanie nowego drzewostanu [2]. Proces pozyskiwania drewna jest przedmiotem badań naukowych, które obejmują wiadomości na temat teoretycznych podstaw zjawisk zachodzących podczas pozyskiwania. Prace naukowe dotyczą również zależności pomiędzy poszczególnymi etapami procesu pozyskiwania drewna oraz podają informacje mające wpływ na optymalizację procesów produkcji. Wśród procesów produkcji wyróżnia się dwa typy: prosty i złożony. Pierwszy z nich dotyczy pozyskiwania drewna i poddania go niewielkiej liczbie operacji. W przypadku procesu złożonego najistotniejsze są informacje dotyczące procesów cząstkowych oraz montażowych. Częścią podstawową procesu produkcyjnego, związaną bezpośrednio ze zmianą wymiaru, kształtu, jakości powierzchni i właściwości fizykochemicznych przedmiotu obrabianego, jest proces technologiczny [3]. Wśród drzew rosnących w lasach na terenie Polski występuje około 20 gatunków drzew rodzimych oraz 6 obcych, które nadają się do przerobu w zakładach (rys. 1). W leśnictwie stosuje się podział na drewno liściaste oraz iglaste. Najbardziej popularnym gatunkiem drewna iglastego pozyskiwanym z lasów jest sosna. Charakteryzuje sie ona, jak większość drzew iglastych, jednorodną budową, małą gęstością oraz łatwością w obróbce. Kolejne miejsce pod względem popularności zajmuje modrzew, a tuż za nim plasuje się świerk. Spośród drzew liściastych do najbardziej cenionych w przemyśle zalicza się drewno dębowe. Jest ono cenione jako drewno okleinowe, a jego znaczna ilość ulega przeróbce dla przemysłu meblarskiego. Drugie miejsce pod względem popularności zajmuje drewno bukowe, a trzecia pozycja należy do brzozy [4]. Podczas transportu drewna, niezależnie od gatunków (liściastych czy iglastych), ważna jest ich gęstość, która decyduje o masie rzeczywistej przewożonego materiału. Masę drewna szacuje się jako iloczyn objętości oraz normatywnej gęstości ustalonej dla danego gatunku drewna. W przypadku drewna mierzonego w stosach jego objętość wyrażoną w metrach przestrzennych przelicza się na objętość w metrach sześciennych przy zastosowaniu współczynników zamiennych określonych w Polskiej Normie PN-D [5]. Wszystkie obliczenia realizowane są tak aby nie przekroczyć masy całkowitej pojazdu, gdzie np. dla zespołu składającego się z pięciu lub sześciu osi, czyli trzyosiowy ciągnik siodłowy i trzyosiowa naczepa nie mogą przekroczyć czterdziestu ton. Przetransportowane drewno trafia do tartaków gdzie zostaje poddane obróbce na maszynach tartacznych. Maszynami tartacznymi nazwa się różnego rodzaju obrabiarki do drewna, które przy pomocy narzędzia tnącego o kształcie klina pokonują opór cząstek drewna. Aby nastąpiło cięcie, musi wystąpić ruch między narzędziem, a materiałem obrabianym [6]. Maszynami usprawniającymi prace w tartaku są między innymi pojazdy do 196 AUTOBUSY 8/2016

2 transportu wewnętrznego, a także oprzyrządowanie pomocnicze do obrabiarek. Rys. 2. Ładowarka kompaktowa Volvo L30 Rys. 1. Udział procentowy podstawowych gatunków drzew występujących w Polsce (Raport o stanie lasów W tartacznictwie podczas wszystkich prac związanych z operacjami obróbczymi stosowane są wózki szynowe. Wyróżnia się wózki ręczne, napędzane oraz doczepiane. Innym typem wózków stosowanych w tartacznictwie są wózki podnośnikowe czołowe, które znalazły zastosowanie w wielu branżach. Charakteryzują się one posiadaniem wideł, platformy lub innych urządzeń umożliwiających manipulowanie ładunkiem. Parametrem użytkowym jest wysokość podnoszenia uzależniona od konstrukcji urządzenia. Oprócz wózków jezdniowych podnośnikowych w tartakach często stosowane są ładowarki kompaktowe (rys. 2). Pojazdy tego typu bardzo dobrze sprawdzają się przy pracach rozładunkowych i przewożeniu drewna. Wszystko dzięki szerokiej gamie osprzętu oraz łyżek ładowarkowych. Ładowarki kompaktowe są niewielkimi maszynami, które osiągają znakomite rezultaty pod względem opłacalnej eksploatacji. Najczęściej spotykanymi producentami ładowarek kompaktowych są: Volvo, Caterpillar, JCB i Case. Pojazdy tego typu posiadają ramiona o dużym zasięgu, które są podnoszone równolegle do podłoża, co nie ogranicza widoczności przy załadunku. Ładowarki kompaktowe lepiej utrzymują materiał. Wielogodzinna praca ładowarką nie jest męcząca, ze względu na możliwość sterowania joystickiem oraz wyposażenie urządzenia w przestrzenną ergonomiczną kabinę Aby zostać operatorem ładowarki kompaktowej należy przejść szkolenie na ładowarki jednonaczyniowe klasy III do 2,5 m 3, która oznacza pojemność naczynia załadowczego. W tartaku ważne są także pojazdy przywożące materiał. Są to najczęściej samochody ciężarowe z HDS-em tzw. hydrauliczny dźwig samochodowy. Dzięki dźwigowi operator jest w stanie sam załadować oraz rozładować materiał na samochód. Jeśli jednak pojazd nie posiada HDS-a rozładunek odbywa się za pomocą ładowarek ze specjalnym uchwytem pozwalającym wykonać rozładunek. Ładowarki wyposaża się w szeroki asortyment osprzętu, tak aby uczynić je maszynami wszechstronnymi. W związku z tym montuje się do nich np.: widły paletowe, identycznie jak w przypadku wózków widłowych. W szeregu przypadków do ładowarek mocuje się łyżki wielozadaniowe, a w tartakach chwytaki do bali drewnianych (rys. 3). Dzięki użyciu chwytaków możliwy jest sprawny rozładunek oraz załadunek drewna. Rys. 3. Chwytak do bali drewnianych do ładowarki [7] 1. Założenia konstrukcyjne i koncepcja modelu Na podstawie przeanalizowanej literatury oraz wstępnych badań własnych stwierdzono, że transport drewna w tartakach, a także załadunek i rozładunek pojazdów go przewożących wymaga zastosowania specjalistycznego uchwytu do transportu drewna tartacznego. Aby mógł on w pełni spełniać swoje zadanie nie powinien być montowany do wózków widłowych, ponieważ tego typu wózki nie posiadają ramion, dzięki którym zwiększa się zasięg podnoszenia. Oznacza, to że wózkiem widłowym nie rozładujemy oraz nie załadujemy pojazdu ciężarowego wiozącego dłużyce. Dodatkowo zastosowanie do wózka jakiegokolwiek uchwytu o większych gabarytach ogranicza widoczność operatorowi. Najlepszym pojazdem do montażu i wykorzystywania podczas pracy specjalistycznego uchwytu jest ładowarka kompaktowa. W celu wykonania specjalistycznego uchwytu do przewozu drewna tartacznego przyjęto następujące założenia: pojazd wykorzystany do montażu projektowanego uchwytu to ładowarka kompaktowa VOLVO L30, udźwig wideł do 3000kg, wysokość przewożonego materiału do 1,2 m, długość wideł 1m, mocowanie wideł zgodne z ISO 3A, wymiary karetki zgodne z ISO 3A mocowanie karetki dostosowane do ładowarki kompaktowej VOLVO L30. Ogólny model bryłowy zaprojektowanego specjalistycznego uchwytu do transportu drewna tartacznego przedstawiono na rys. 4. AUTOBUSY 8/

3 Rys. 4. Model bryłowy uchwytu 2. Analiza statyczna Elementy konstrukcyjne maszyn, urządzeń i mechanizmów zwane są ciałami rzeczywistymi. Zastępujemy je modelami teoretycznymi aby w sposób uproszczony dokonać obliczeń. Podczas działania sił zewnętrznych ciało rzeczywiste odkształca się. Opisują to dwa modele, jednym z nich jest ciało sprężyste, którego odkształcenie pojawia się przy zadaniu obciążenia i znika wraz z usunięciem obciążenia. Kolejnym jest ciało sprężysto-plastyczne, które jest sumą odkształcenia sprężystego i plastycznego po odciążeniu [8]. Dzięki analizie statycznej wyznaczamy zewnętrzne oddziaływania na konstrukcję. Zbudowany model specjalistycznego uchwytu do transportu drewna tartacznego poddano analizie statycznej Przeprowadzono ją dla głównych części składowych tj. karetki przesuwnej, pokrywy uchwytu i prowadnicy. Po dokonaniu analizy statycznej karetki przesuwnej stwierdzono, że największe naprężenia występują na spawach tulejek do sworzni i wynoszą maksymalnie 112,9MPa (rys. 5). Minimalny współczynnik bezpieczeństwa znajduje się w tym samym miejscu (rys. 6) i wynosi 2,22, co oznacza, że materiał nie ulegnie deformacji. Analizując wyniki badań pokrywy uchwytu zauważono, że największe naprężenia występują w spoinie tulei do sworznia (rys. 7), a ich wartość jest równa 341,2 MPa. Dodatkowo w tym samym miejscu lokalizuje się najniższa wartość (1,06) współczynnika bezpieczeństwa (rys. 8), co może wywoływać zniekształcenia konstrukcji. Jednak dzięki temu, że zastosowano ciasno pasowany sworzeń, aby wystąpiły wstępne naprężenia na ścinanie, to uzyskano zmniejszenie naprężeń. Współczynnik bezpieczeństwa nie powinien być mniejszy niż 1, gdyż może wystąpić uszkodzenie materiału. Rys. 6. Rozkład współczynnika bezpieczeństwa dla mocowania karetki przesuwnej Rys. 7. Rozkład naprężeń pokrywy uchwytu Rys. 8. Rozkład współczynnika bezpieczeństwa pokrywy uchwytu Rys. 5. Rozkład naprężeń mocowania karetki przesuwnej Rys. 9. Rozkład naprężeń prowadnicy 198 AUTOBUSY 8/2016

4 Rys. 10. Rozkład współczynnika bezpieczeństwa prowadnicy Podsumowanie Zaprojektowany specjalistyczny uchwyt do transportu drewna tartacznego przystosowano do ładowarki kompaktowej Volvo L30. Jest to bezpośrednio związane z jej większą uniwersalnością i szerszymi możliwościami transportowymi. Jednocześnie uchwyt po niewielkich modyfikacjach może być osadzony na zespole nośnym wózka widłowego. Jedną z zalet zaprojektowanej konstrukcji jest możliwość stosowania samych wideł przy otwartej pokrywie uchwytu. Dzięki temu nie ma konieczności wymiany uchwytu do bali na widły i odwrotnie. Odpada zatem konieczność uciążliwej, a przede wszystkim czasochłonnej, operacji demontażu i montażu zespołu roboczego ładowarki. Dodatkową zaletą jest zabezpieczenie przewożonej tarcicy przed zsuwaniem się, a zwłaszcza bocznym opadaniem, związanym z nierównym składowaniem i nieregularnym położeniem środka ciężkości pni poprzez ich zaciśnięcie między widłami a pokrywą uchwytu. Dla projektowanego uchwytu przeprowadzono obliczenia analityczne a następnie wykonano analizy statyczne za pomocą programu Autodesk Inventor, które potwierdziły poprawność obliczeń wytrzymałościowych. Należy zauważyć, że we wszystkich częściach współczynnik bezpieczeństwa przekroczył wartość 1, co świadczy, że dla badanego urządzenia nie wystąpią trwałe odkształcenia materiału. Jednocześnie należy podkreślić, że weryfikacja konstrukcji w obszarze eksploatacyjnym oraz BHP musi się odbyć z wykorzystaniem prototypu, gdyż żaden program wspomagający projektowanie nie jest w stanie przewidzieć ludzkich zachowań czy błędów w obsłudze. Nowoczesne metody z zastosowaniem Elementu Skończonego są stosowane również do modelowania i analiz numerycznych nieliniowych innych procesów obróbki [9-28]. Bibliografia Krzysik F.: Nauka o drewnie, PWN, Warszawa 1975 Laurow Z.: Pozyskiwanie drewna, Wydawnictwo SGGW, Warszawa, Feld M.: Podstawy projektowania procesów technologicznych typowych części maszyn, Wydawnictwo WNT, Poradnik użytkowania lasu dla leśników praktyków, pod redakcją M. Suwały, Wydawnictwo Świat, Warszawa, Firma transportowa profesjonalny serwis przewoźników, pod redakcją I. Kunowskiej, Wydawnictwo Wiedza i Praktyka, Warszawa, Siemiński R.: Obrabiarki do drewna, PWN, Warszawa, Kozak B.: Mechanika techniczna, WSiP Spółka Akcyjna, Warszawa, Kukielka K., Kukielka L.: Modeling And Numerical Analysis Of The Thread Rolling Process, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Volume 6, Issue 1, Weinheim, 2006, pp Kukielka L., Kukielka K.: Numerical analysis of the process of trapezoidal thread rolling. High Performance Structures and Materials, Ed. C.A. Brebbia, WITPRESS, Southampton, Boston, 2006, pp Kukielka K., Kukielka L.: Numerical analysis of the physical phenomena in the working zone in the rolling process of the round thread. Computer Methods and Experimental Measurements for Surface Effect and Contact Mechanics VIII, eds. J.T.M de Hosson, C.A. Brebia, S-I Nishida, WITPRESS, Southampton, Boston, 2007, pp Kukiełka K.: Numerical simulations of deformation and stress in the cold rolled thread. ARCHIWUM TECHNOLOGII MASZYN I AUTOMATYZACJI, T. 31, Nr 1, 2011, pp Kukiełka K.: Modelling the external thread rolling process using finite element method. ARCHIWUM TECHNOLOGII MASZYN I AUTOMATYZACJI, T. 31, Nr 3, 2011, pp Kukiełka K.: Numerical modelling of the strain and stress states in the thread with quick pitch in rolling process on cold. Pomiar Automatyka Kontrola, nr 01, 2012, pp Kukielka K., Kukielka L., Bohdal L., Kulakowska A., Malag L., Patyk R.: 3D Numerical Analysis the State of Elastic/Visco-Plastic Strain in the External Round Thread Rolled on Cold. Applied Mechanics and Materials Novel Trends in Production Devices and Systems Editors: Karol Velíšek, Peter Košťál and Milan Nad, 2014, USA- SLOVAKIA, pp Kukiełka K.: Numeryczne określenie wcisku walcowania i warunków smarowania w aspekcie jakości gwintu o zarysie łukowym o dużym skoku wykonywanym na rurach o dużej długości. Mechanik vol. 88, (3CD), 2015, pp Kukiełka K.: Efektywny model numeryczny do analizy procesu walcowania gwintów trapezowych metodą elementu skończonego Mechanik vol. 87, (11CD), 2015, pp Kukiełka L.: Theoretical and experimental foundations of surface roller burnishing with the electrocontact heating. Book of Mechanical Engineering. Technical University of Koszalin, No 47, 1994, pp Kukielka L.: Mathematical modelling and numerical simulation of non-linear deformation of the asperity in the burnishing cold rolling operation. Ed. Dominguez, J; Brebbia, CA Computational methods in contact mechanics V Book Series: Computational and experimental methods Vol. 32, 2001, Transactions on Engineering Sciences, WITPRESS, pp , ISSN Kukielka L., Kustra J.: Numerical analysis of thermal phenomena and deformations in processing zone in the centreless continuous grinding process, Computation Methods and Experimental Measurements for Surface Treatment Effects, WITPRESS, Southampton, Boston, 2003, pp Kukielka L., Kustra J., Kukielka K.: Numerical analysis of states of strain and stress of material during machining with a single abrasive grain, in: J.T.M. de Hosson, C.A. Brebbia, S-I Nishida, Computer Methods and Experimental Measurements for Surface Effects and Contact Mechanics VII, WITPRESS, Southampton-Boston, 2005, pp Kukielka L., Kukielka K., Kulakowska A., Patyk R., Malag L., Bohdal L.: Incremental Modelling and Numerical Solution of the Contact Problem between Movable Elastic and Elastic/Visco-Plastic Bodies and Application in the Technological Processes. Applied Mechanics and AUTOBUSY 8/

5 Materials Novel Trends in Production Devices and Systems Editors: Karol Velíšek, Peter Košťál and Milan Nad, 2014, USA-SLOVAKIA, pp Kukielka L., Geleta K., Kukielka K.: Modelling of initial and boundary problems with geometrical and physical nonlinearity and its application in burnishing processes. In: K. Mori, M. Pietrzyk, J. Kusiak, J. Majta, P Hartley, J. Lin (Eds.), Steel Research International, Special Edition, 14th International Conference on Metal Forming, 2012, pp Kukielka L., Geleta K., Kukielka K.: Modelling and Analysis of Nonlinear Physical Phenomena in the Burnishing Rolling Operation with Electrical Current, in: K. Mori, M. Pietrzyk, J. Kusiak, J. Majta, P Hartley, J. Lin (Eds.), Steel Research International. Special Edition: 14th International Conference Metal Forming, 2012, pp Kukiełka L., Kukiełka K.: Modelling and analysis of the technological processes using finite element method. Mechanik vol. 88, (3CD), 2015, pp Kukiełka L., Patyk R., Kułakowska A, Kukiełka K., Gotowała: Innowacyjna metodyka projektowania części samochodowych. Logistyka vol. 6 (CD 1), 2014, s Forysiewicz M., Kukielka L., Gotowala K.: Finite element simulation of physical phenomena in real conditions of a single grain cutting process, Novel Trends in Production Devices and Systems III, Trans Tech Publications Ltd, Editors: Daynier Rolando Delgado and Karol Velíšek, 2016, Switzerland-USA, pp , ISSN Kukielka L., Szczesniak M., Patyk R., Kulakowska A., Kukielka K., Patyk S., Gotowala K, Kozak D.: Analysis of the states of deformation and stress in the surface layer of the product after the burnishing cold rolling operation, Novel Trends in Production Devices and Systems III, Trans Tech Publications Ltd, Editors: Daynier Rolando Delgado and Karol Velíšek, 2016, Switzerland-USA, pp , ISSN Autorzy: Dr inż. Grzegorz Chomka Zakład TM i PKM, Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska; Dr inż. Jerzy Chudy Zakład TM i PKM, Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska; Inż. Karol Dzwonkowski Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska, Mgr inż. Maciej Kasperowicz Zakład TM i PKM, Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska. The use of CAD system in the design of specialized handler for timber transport The paper presents the design of specialized grip for transportation of sawmill wood in the form of logs and logs. The construction of the handle was designed to be installed on the loader. Analytical calculations were supported solid modeling and static analysis FEM. Key words: handler, construction modeling, strength analysis. 200 AUTOBUSY 8/2016