WPŁYW POSTACI KONSTRUKCYJNEJ RAMY NOŚNEJ ŻURAWIA SAMOCHODOWEGO NA ODKSZTAŁCENIA PIERŚCIENIA ŁOŻYSKA WIEŃCOWEGO

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN X 37, s , Gliwice 2009 WPŁYW POSTACI KONSTRUKCYJNEJ RAMY NOŚNEJ ŻURAWIA SAMOCHODOWEGO NA ODKSZTAŁCENIA PIERŚCIENIA ŁOŻYSKA WIEŃCOWEGO ARKADIUSZ TRĄBKA, ADAM CIEŚLAR Katedra Podstaw Budowy Maszyn, Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej atrabka@ath.bielsko.pl Streszczenie. Przedstawiono modele obliczeniowe dwóch typów ram nośnych belkowej i skrzynkowej wraz z posadowionym na nich łożyskiem wieńcowym (krzyżowo-wałeczkowym). Dyskretyzacji dokonano w programie metody elementów skończonych ANSYS. Obciążenia konstrukcji określono na podstawie analizy modeli pomocniczych. Poszukiwano odpowiedzi na pytanie, który wariant konstrukcji ramy zapewnia mniejsze odkształcenia dolnego (połączonego z ramą) pierścienia łożyska podczas wykonywania ruchów roboczych. 1. WPROWADZENIE Wielkogabarytowe łożyska toczne zwane wieńcowymi stosowane są do łączenia nadwozi maszyn roboczych z ich podwoziami. Charakterystyczną ich cechą są duże wymiary (średnice dochodzące do 20 m) oraz duża podatność pierścieni (wieńców). W związku z tym konieczna jest zabudowa ich na konstrukcjach wsporczych o odpowiednio dużej sztywności i płaskości. W żurawiach samochodowych funkcję tę spełnia rama nośna. Pośredniczy ona w przeniesieniu obciążeń z nadwozia na podpory, a dalej na podłoże [2, 5]. Ze względu na złożony charakter obciążeń pochodzących od obrotowego nadwozia konstrukcja ramy powinna być odpowiednio wzmocniona (szczególnie w obrębie łożyska obrotowego). Typ konstrukcji ramy nośnej, a także zastosowane wzmocnienia decydują o tym, jakie odkształcenia wystąpią w pierścieniach łożyska [3]. 2. MODELE OBLICZENIOWE RAM NOŚNYCH I ŁOŻYSKA Na podstawie istniejących rozwiązań konstrukcyjnych wykonano modele dla dwóch wariantów konstrukcji ram nośnych: ramy o konstrukcji otwartej belkowej (rys. 1); ramy o konstrukcji zamkniętej - skrzynkowej (wewnętrznie użebrowanej) (rys. 2). Modele obliczeniowe opracowano na podstawie modeli geometrycznych ram oraz łożysk wykonanych w programie INVENTOR. W modelach geometrycznych uwzględniono tylko najważniejsze elementy mające wpływ na sztywność ram nośnych. Ponadto przyjęto następujące uproszczenia [1, 4]: wszystkie ścianki i żebra postanowiono traktować jako powierzchnie;

2 258 A. TRĄBKA, A. CIEŚLAR pominięto otwory na przewody, otwory na śruby oraz inne mniejsze otwory i sfazowania; pominięto spoiny; blachy nałożone na siebie zastąpiono pojedynczą blachą, której grubość stanowi sumę grubości poszczególnych elementów; pierścień dolny łożyska połączono z pierścieniem osadczym pod łożysko na całej powierzchni styku, pomijając śruby. Rys. 1. Rama o konstrukcji otwartej - belkowa Rys. 2. Rama o konstrukcji zamkniętej skrzynkowa (wewnętrznie użebrowana) Do budowy modeli obliczeniowych (rys. 3 i 4) zastosowano program ANSYS bazujący na metodzie elementów skończonych. Modele te wykonano przy użyciu następujących typów elementów skończonych [6]: SHELL63 element powłokowy (powierzchnie), BEAM4 element belkowy (pomocnicze belki do przeniesienia obciążeń), SOLID45 element objętościowy (pierścienie łożyska, pierścień osadczy pod łożysko), CONTA173, TARGE170 elementy par kontaktowych (powierzchnie bieżni górnego i dolnego pierścienia łożyska). Parametry modeli przyjęto, opierając się na dokumentacji konstrukcyjnych ram nośnych stosowanych w żurawiach samochodowych typu HYDROS (dla łożyska wieńcowego o średnicy tocznej 1500 mm). Rys. 3. Model obliczeniowy - rama belkowa i łożysko Rys. 4. Model obliczeniowy - rama skrzynkowa i przekrój dolnego pierścienia łożyska

3 WPŁYW POSTACI KONSTRUKCYJNEJ RAMY NOŚNEJ ŻURAWIA SAMOCHODOWEGO WYZNACZENIE OBCIĄŻEŃ PRZENOSZONYCH PRZEZ RAMĘ NOŚNĄ Obciążenia, którym poddawana jest rama nośna żurawia, obejmują: Obciążenia pochodzące od obrotowego nadwozia zmieniają się w zależności od masy ładunku, długości i kąta nachylenia wysięgnika do poziomu oraz kąta obrotu nadwozia; Obciążenia pochodzące od podwozia wynikają z faktu połączenia ramy nośnej z podwoziem samochodu ciężarowego, które podnosi się razem z ramą podczas wysuwania podpór Modele do analizy obciążeń ramy nośnej W celu wyznaczenia obciążeń, którym w czasie pracy żurawia poddawana jest rama nośna, w programie ANSYS wykonano pomocnicze modele obliczeniowe (rys. 5). Do ich budowy zastosowano elementy belkowe BEAM4 oraz elementy masowe MASS21. Opracowując modele, przyjęto następujące uproszczenia w stosunku do rzeczywistej konstrukcji żurawia [4]: wszystkie elementy konstrukcji potraktowano jako nieodkształcalne; masy poszczególnych elementów konstrukcji oraz ładunku wprowadzono jako skupione w punktach (tzw. punkty materialne). Rys. 5. Modele dyskretne do analizy obciążeń przenoszonych przez ramę nośną: a) pochodzących od nadwozia, b) pochodzących od podwozia 3.2. Konfiguracja modelu do analizy obciążeń pochodzących od nadwozia Obliczenia obciążeń pochodzących od nadwozia przeprowadzono dla czterech wariantów konfiguracji wysięgnika: wariant I długość wysięgnika 8 m, wysięg maksymalny, wariant II długość wysięgnika 8 m, wysięg minimalny, wariant III długość wysięgnika 20 m, wysięg maksymalny, wariant IV długość wysięgnika 20 m, wysięg minimalny. W każdym z wariantów przyjęto największy dopuszczalny ciężar ładunku, dobierając go na podstawie charakterystyk udźwigu żurawia typu HYDROS T-161 [7]. Dodatkowo dla każdego wariantu przeprowadzono obliczenia w siedmiu położeniach nadwozia względem podwozia, obracając nadwozie względem osi podłużnej ramy co 15 stopni w przedziale od 0 do 90. Zakładając symetrię wzdłużną, wyznaczono obciążenia dla obrotu nadwozia o 180 stopni w przedziale (-90 ) (+90 ) względem osi podłużnej ramy. Najbardziej niekorzystny okazał się wariant II konfiguracji, gdy wysięgnik o długości 8 m, przy najmniejszym wysięgu (3 m), obciążony jest ładunkiem 16 ton.

4 260 A. TRĄBKA, A. CIEŚLAR 3.3. Obciążenia ramy nośnej Na podstawie obliczeń ustalono, iż na obciążenia pochodzące od obrotowego nadwozia żurawia, dla wariantu II konfiguracji wysięgnika, składają się: siła działająca na ramę w środku obrotu nadwozia (składowa pionowa), której wartość jest stała dla wszystkich kątów obrotu i wynosi: F y = N; składowe momentów (M x, M z ) oddziałujące na ramę w punkcie środka obrotu nadwozia. Na rys. 6 przedstawiono wykres momentów działających na ramę nośną w funkcji kąta obrotu nadwozia dla II wariantu konfiguracji wysięgnika. Obciążenia pochodzące od obrotowego nadwozia przyłożono do górnego pierścienia łożyska za pośrednictwem tzw. pajęczyny belek (rys. 7). Rys. 6. Momenty działające na ramę nośną w funkcji kąta obrotu nadwozia dla wariantu II Rys. 7. Obciążenia od nadwozia zadane za pośrednictwem tzw. pajęczyny belek Obciążenia pochodzące od podwieszonego do ramy żurawia podwozia samochodowego sprowadzają się do sił skupionych przyłożonych w miejscach połączenia (rys. 5b). W tabeli 1 zestawiono wartości obciążeń działających na ramę w miejscach jej połączenia z podwoziem. Tabela 1. Wartości obciążeń działających na ramę w miejscach połączenia z podwoziem (wartość ujemna oznacza kierunek pionowy ze zwrotem w dół) Symbol obciążenia F A F B F C F D F E F F Jednostka [N] [N] [N] [N] [N] [N] Wartość ANALIZA ODKSZTAŁCEŃ DOLNEGO PIERŚCIENIA ŁOŻYSKA WIEŃCOWEGO DLA ROZPATRYWANYCH WARIANTÓW KONSTRUKCJI RAMY NOŚNEJ Oceny wpływu konstrukcji ramy nośnej żurawia na odkształcenie dolnego pierścienia łożyska wieńcowego dokonano dla czterech położeń nadwozia względem podwozia (rys. 8), przy czym na rysunkach i wykresach przedstawiono wyniki dla położeń skrajnych, tzn. 0 i 90. Odkształcenia dolnego pierścienia łożyska przedstawiono w postaci map odkształceń. Ponadto w wybranych punktach (węzłach), znajdujących się na środku bieżni dolnego pierścienia łożyska (rys. 9) odczytano odkształcenia oraz przemieszczenia. Otrzymane wartości przedstawiono na wykresach.

5 WPŁYW POSTACI KONSTRUKCYJNEJ RAMY NOŚNEJ ŻURAWIA SAMOCHODOWEGO Rys. 8. Analizowane położenia nadwozia względem podwozia Rys. 9. Środkowe węzły bieżni dolnego pierścienia łożyska dla których dokonano odczytu przemieszczeń i odkształceń Z map przemieszczeń, jakich w przypadku kąta obrotu nadwozia równego 90 doznają ramy: belkowa i skrzynkowa (rys. 10, 11) oraz wykresów przedstawiających przemieszczenia wybranych węzłów znajdujących się na środku bieżni dolnego pierścienia łożyska (rys. 12) wynika, że całkowite przemieszczenia UY są dużo większe w przypadku ramy belkowej. Na podstawie wykresu przedstawionego na rys. 12 obliczono, że różnica maksymalnych i minimalnych przemieszczeń UY węzłów znajdujących się na środku bieżni łożyska w przypadku ramy skrzynkowej jest o prawie 44% mniejsza od tych samych przemieszczeń w przypadku ramy belkowej. Dla kąta obrotu nadwozia równego 0 (rys. 13, 14), nieco większe przemieszczenia występują w przypadku ramy skrzynkowej (rys. 15). Rys. 10. Przemieszczenia UY rama belkowa (kąt obrotu nadwozia 90 ) Rys. 11. Przemieszczenia UY rama skrzynkowa (kąt obrotu nadwozia 90 ) Rys. 12. Przemieszczenia UY środkowych węzłów bieżni dolnego pierścienia łożyska dla kąta obrotu nadwozia równego 90

6 262 A. TRĄBKA, A. CIEŚLAR Rys. 13. Przemieszczenia UY rama belkowa (kąt obrotu nadwozia 0 ) Rys. 14. Przemieszczenia UY rama skrzynkowa (kąt obrotu nadwozia 0 ) Rys. 15. Przemieszczenia UY środkowych węzłów bieżni dolnego pierścienia łożyska dla kąta obrotu nadwozia równego 0 Na rys. 16 przedstawiono mapy składowych odkształceń ε y dolnego pierścienia łożyska dla ramy belkowej i skrzynkowej w przypadku kąta obrotu nadwozia równego 90, natomiast na rys. 17 wykresy tych odkształceń dla węzłów znajdujących się na środku jego bieżni. Na rys. 18 przedstawiono mapy składowych odkształceń ε y dolnego pierścienia łożyska dla ramy belkowej i skrzynkowej w przypadku kąta obrotu nadwozia równego 0, a na rys. 19 wykresy tych odkształceń dla węzłów znajdujących się na środku jego bieżni. Rys. 16. Odkształcenia ε y dolnego pierścienia łożyska: a) rama belkowa, b) rama skrzynkowa (kąt obrotu nadwozia 90 )

7 WPŁYW POSTACI KONSTRUKCYJNEJ RAMY NOŚNEJ ŻURAWIA SAMOCHODOWEGO Rys. 17. Składowe odkształceń ε y dla środkowych węzłów bieżni dolnego pierścienia łożyska: a) rama belkowa, b) rama skrzynkowa (kąt obrotu nadwozia 90 ) Rys. 18. Odkształcenia ε y dolnego pierścienia łożyska: a) rama belkowa, b) rama skrzynkowa (kąt obrotu nadwozia 0 ) Rys. 19. Składowe odkształceń ε y dla środkowych węzłów bieżni dolnego pierścienia łożyska: a) rama belkowa, b) rama skrzynkowa (kąt obrotu nadwozia 0 ) 5. WNIOSKI Podsumowując wyniki przeprowadzonych analiz, ustalono, że: W przypadku każdego z analizowanych położeń nadwozia względem podwozia odkształcenie bieżni dolnego pierścienia łożyska osiąga większe wartości dla ramy nośnej

8 264 A. TRĄBKA, A. CIEŚLAR o konstrukcji belkowej. Oznacza to większe pofalowanie powierzchni bieżni łożyska dla tego wariantu konstrukcji ramy, co może skutkować przyspieszonym zużyciem zarówno elementów tocznych jak i samej bieżni; W przypadku ramy belkowej maksymalne wartości składowych odkształceń w kierunku osi Y, w węzłach znajdujących się na środku bieżni dolnego pierścienia łożyska, zwiększają się w trakcie zmiany kąta obrotu nadwozia. Największa ich wartość występuje dla prostopadłego położenia wysięgnika w stosunku do osi podłużnej ramy nośnej; W przypadku ramy skrzynkowej maksymalne wartości składowych odkształceń w kierunku osi Y, w węzłach znajdujących się na środku bieżni dolnego pierścienia łożyska, są zbliżone do siebie dla różnych kątów obrotu nadwozia; W przypadku ramy skrzynkowej zaobserwowano (rys. 17b, 19b) występowanie skokowych zmian wartości odkształceń w związku z podparciem żebrami pierścienia osadczego pod łożysko. LITERATURA 1. Borkowski W., Konopka S., Prochowski L.: Dynamika maszyn roboczych. Warszawa : WNT, Kania L., Mazanek E., Mruk M.: Wpływ postaci konstrukcyjnej struktur nośnych na rozkład obciążenia wewnętrznego w łożysku wieńcowym. Przegląd Mechaniczn 2006, nr 1, s Mazanek E.: Zagadnienia konstrukcyjne i wytrzymałościowe w wielkogabarytowych łożyskach tocznych wieńcowych. Częstochowa : Wyd. Pol. Częst Trąbka A.: Dobór uproszczeń podczas opracowywania modeli numerycznych żurawi z zastosowaniem metody elementów skończonych. Teoria maszyn i mechanizmów T.2, s Wyciślok P.: Badania obciążenia wieńca pod łożysko obrotowe w ramie żurawia samojezdnego. W : IV Konferencja Maszyn Włókienniczych i Dźwigowych, Bielsko- Biała Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej Filii w Bielsku-Białej, s ANSYS Release 8.0 Documentation. 7. Dokumentacja techniczno-ruchowa: żuraw samochodowy hydrauliczny HYDROS T-161. Zjednoczenie Przemysłu Maszyn Budowlanych Bumar, INFLUENCE OF MOBILE CRANE CARRIER FRAME CONSTRUCTION ON ROLLER BEARING SLEWING RING DEFORMATION Summary. Based on the existing construction types, the models for two variants of the carrier frames were performed - beam frame and chest frame. The computational models were worked out on the basis of the geometrical models. The discretisation and numerical analysis of the models were performed by means of the finite elements method program ANSYS. The loads of the construction were determined on the basis of the analysis of the supportive models. In respect of differences between carrier frames construction, an attempt of estimation of influence of the frame construction type on the slewing ring deformation was undertaken.