METODA DO WIADCZALNEGO WYZNACZANIA OPORÓW RUCHU UK ADU MECHANICZNEGO KOLEI LINOWYCH

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 98 Transport 2013 Tomasz Magiera Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie Katedra Transportu Linowego METODA DOWIADCZALNEGO WYZNACZANIA OPORÓW RUCHU UKADU MECHANICZNEGO KOLEI LINOWYCH Rkopis dostarczono, kwiecie 2013 Streszczenie: W publikacji przedstawiono dowiadczaln metod wyznaczania wartoci oporów ruchu niewyprzganych kolei linowych krzesekowych. Przedstawiona metoda pozwala na uzyskanie dokadnej wartoci wspóczynnika oporów ruchu i wartoci cakowitego momentu bezwadnoci mas ruchomych, dla konkretnie rozpatrywanego urzdzenia. Opracowana metoda zostaa oparta na danych dowiadczalnych uzyskanych na eksploatowanych kolejach linowych i poddana procesowi weryfikacji. Sowa kluczowe: koleje linowe, opory ruchu, dynamika 1.WPROWADZENIE Priorytetem wszystkich systemów kolei linowych jest zapewnienie bezpieczestwa osobom nimi podróujcym. Osigane jest to, na poziomie ich projektowania i eksploatacji, poprzez spenienie wszystkich zapisów w odpowiednich aktach prawnych [7] i normach zharmonizowanych z dyrektywami. Rozpatrujc proces normalnej eksploatacji urzdzenia w aspekcie zapewnienia dopuszczalnego poziomu bezpieczestwa, naley zwróci szczególn uwag na sytuacje, podczas których wyzwalane s awaryjne procedury hamowania. Charakteryzuj si one granicznymi wartociami redniego opónienia caego ukadu zaproponowanymi w normach zharmonizowanych, a ich wartoci chwilowe mog by przekraczane nawet o 30%. Wynikiem tych zdarze s niskoczstotliwociowe drgania poprzeczne i podune liny wraz z pojazdami. Dua amplituda drga przy niekorzystnych warunkach, w szczególnoci kolei linowej z pojazdami otwartymi, moe spowodowa wypadnicie pasaerów z pojazdów. Zjawisko to wpywa równie negatywnie na trwao zmczeniow elementów konstrukcyjnych kolei.

2 370 Tomasz Magiera Zagadnienie redukcji tych zjawisk byo poruszane przez [5], jednake autor w swojej pracy rozpatrywa problem jedynie na poziomie projektowania. Natomiast na etapie eksploatacji, autorzy [4] zaproponowali rozwizanie zmniejszenia zdolnoci przewozowej (mniejsza prdko eksploatacyjna kolei) i zmiany odlegoci pomidzy pojazdami (dugo poszczególnych przse nie moe by równa krotnoci odlegoci pomidzy krzesami). Celem bada naukowych prowadzonych przez autora jest opracowanie procedur sterowania si hamowania hamulców mechanicznych, w wyniku których zostanie zmniejszona amplituda drga pojazdów z pasaerami, przy jednoczesnym zachowaniu parametrów eksploatacyjnych i wymaganego poziomu bezpieczestwa. Osignicie zamierzonego celu musi zosta poprzedzone wyznaczeniem dokadnych wartoci oporów ruchu i momentu bezwadnoci mas ruchomych dla analizowanej kolei linowej. Metoda okrelenia cakowitych oporów ruchu ukadu mechanicznego, zostaa oparta na procedurze wyznaczania cakowitego momentu bezwadnoci mas I c (rys. 1), bdcych w ruchu obrotowym, postpowym i zoonym. Procedura zostaa opracowana na podstawie bada przeprowadzonych na obiektach technicznych (w artykule zostay przedstawione wyniki z pomiarów zarejestrowanych na kolei linowej Sotwiny w Krynicy-Zdrój) i oblicze matematycznych. Rys. 1. Schemat procedury wyznaczania cakowitego momentu bezwadnoci kolei linowej

3 Metoda dowiadczalnego wyznaczania oporów ruchu ukadu mechanicznego kolei linowych PROCES WYZNACZANIA OPORÓW RUCHU W celu wyznaczenia wartoci oporów ruchu naley postpowa zgodnie z procedur dotyczc okrelenia cakowitego momentu bezwadnoci mas ruchomych (rys. 1). Przedstawiona procedura ma charakter ogólny i moe by stosowana do kadej napowietrznej kolei linowej o ruchu okrnym. Wynikiem tej procedury, jest redukcja mas elementów kolei linowej bdcych w ruchu, do zastpczego ukadu jedno masowego o ruchu okrnym IDENTYFIKACJA WSZYSTKICH PARAMETRÓW POTRZEBNYCH DO OBLICZENIA POSZCZEGÓLNYCH MOMENTÓW BEZWADNOCI ELEMENTÓW KOLEI Pierwszym etapem jest zidentyfikowanie elementów ukadu rozpatrywanego obiektu technicznego. System kadej kolei linowej moemy podzieli na trzy gówne podsystemy, wyróniajc rodzaj ruchu poszczególnych ich elementów (stacja napdowa, trasa i stacja przewojowa) (rys. 2). Rys. 2. Schemat kolei linowej z podziaem na podsystemy Podsystem I - stacja napdowa W podsystemie stacji napdowej (rys. 3) wyróniamy nastpujce masy poruszajce si ruchem obrotowym: wirnik silnika, way czce, tarcza hamulca ruchowego, koa zbate przekadni i koo napdowe.

4 372 Tomasz Magiera Rys. 3. Podsystem I stacja napdowa Podsystem II trasa kolei linowej Poddajc analizie podsystem trasy kolei linowej (rys. 4), mona wyróni trzy gówne elementy ze wzgldu na rodzaj ruchu. Krki trasowe wykonuj ruch obrotowy, lina nono-napdowa oraz pojazdy z pasaerami poruszaj si ruchem zoonym (postpowym i drgajcym). Ruch pojazdów oraz szczegóowe metody wyznaczania momentu bezwadnoci tego elementu zostay przedstawione dokadnie przez autorów w [1], [3], [5]. Natomiast w przedstawianej procedurze pojazdy zostay zredukowane do masy poruszajcej si ruchem postpowym ze wzgldu na may udzia wartoci ich momentu bezwadnoci w cakowitym momencie bezwadnoci mas ruchomych. Rys. 4. Trasa kolei linowej jako podsystem II Podsystem III stacja przewojowa Masami obrotowymi wchodzcymi w skad tego podsystemu, s koo przewojowe oraz wa i masa odcinka liny opasajcego koo.

5 Metoda dowiadczalnego wyznaczania oporów ruchu ukadu mechanicznego kolei linowych OBLICZENIE CAKOWITEGO MOMENTU BEZWADNOCI KOLEI LINOWEJ Momenty bezwadnoci zidentyfikowanych mas bdcych w ruchu, zostay zredukowane na koo napdowe kolei linowej. Przyjt warto cakowitego momentu bezwadnoci mas ruchomych naley podda analizie weryfikacyjnej. W tym celu przeprowadza si, na obiekcie technicznym, proces hamowania, tzw. wolny wybieg, dla obcionych pojazdów (0%, 50% i 100% obcienia nominalnego), przy uwzgldnieniu warunków atmosferycznych. Proces wolny wybieg polega na wyhamowaniu kolei jedynie poprzez opory wasne caego systemu. Wartociami mierzonymi podczas tego procesu s: prdko kolei oraz czas od uruchomienia procesu do cakowitego zatrzymania urzdzenia (rys. 5). Otrzymane parametry kinematyczne kolei linowej pozwalaj na obliczenie siy obwodowej (1) dziaajcej na kole napdowym, a nastpnie cakowitego momentu bezwadnoci I c (2). n n b b U ( Si 1n ( qzredn H) fq ( zredn L) ( qzredn K) ( Si 1o ( qzredo H) fq ( zredo L) ( qzredo K) i1 g i1 g (1) gdzie: U sia obwodowa na kole napdowym, S i sia w linie na kolejnych podporach (o tok obciony, n nieobciony), H rónica wysokoci pomidzy doln i górn stacj, q zred zredukowany ciar jednostkowy (liny z pojazdami), f wspóczynnik oporów ruchu, L dugo kolei w poziomie, K dugo kolei liczona po stoku, b rednie opónienie kolei. Rys. 5. Przykadowa charakterystyka dla procedury wolny wybieg 0% obcienia kolei badania wasne na kolei linowej Sotwiny

6 374 Tomasz Magiera dlo ( U F ) D i Dknap Ic 2 i lo op knap i (2) gdzie: U i sia obwodowa na kole napdowym, d lo rednica oyska wau napdowego, F op sia oporów na kole napdowym, D knap rednica koa napdowego, przyspieszenie ktowe, lo wspóczynnik tarcia w oysku WYZNACZENIE OPORÓW RUCHU KOLEI LINOWEJ Wyznaczajc cakowity moment bezwadnoci mas bdcych w ruchu (2), naley obliczy si obwodow (1) oraz si oporów ruchu na kole napdowym F op (suma si w osi liny po stronie toku wchodzcego i schodzcego z koa napdowego). Istotnym czynnikiem obydwu si jest wspóczynnik oporów ruchu caej kolei linowej f. Wspóczynnik ten w literaturze wynosi 0,025-0,035 [2], [6]. W celu okrelenia jego prawidowej wartoci (indywidualnej dla kadego urzdzenia) naley przeprowadzi obliczenia cakowitego momentu bezwadnoci I c (2) dla zakresu wspóczynnika f (0,02-0,06). Rzeczywist warto oporów ruchu f, otrzymujemy dla takich samych wartoci obliczonego cakowitego momentu bezwadnoci I c, dla poszczególnych obcie toku kolei linowej. Wyznaczon wartoci wspóczynnika oporów ruchu dla kolei linowej Sotwiny bya f=0,05, która jest wiksza od wartoci zalecanych. Otrzymany wspóczynnik oporów ruchu wraz z cakowitym momentem bezwadnoci mas ruchomych kolei mona przyj jako poprawny i stosowa w analizach matematycznych dla konkretnego obiektu technicznego. W celu dodatkowego sprawdzenia poprawnoci wyznaczonych dowiadczalnie wartoci zaleca si przeprowadzenie weryfikacji wartoci cakowitego momentu I c na bazie wyników z okresowych prób hamowania kolei linowej. 3. WERYFIKACJA UZYSKANYCH WARTOCI CAKOWITEGO MOMENTU BEZWADNOCI Proces weryfikacyjny (rys. 6) wstpnie dobranego cakowitego momentu bezwadnoci kolei linowej mona przeprowadzi analitycznie, na podstawie dostpnej dokumentacji z okresowych prób hamowania kolei linowej.

7 Metoda dowiadczalnego wyznaczania oporów ruchu ukadu mechanicznego kolei linowych 375 Rys. 6. Schemat procesu weryfikacji cakowitego momentu bezwadnoci mas ruchomych 3.1. OBLICZENIE MOMENTÓW SI HAMOWANIA DLA POSZCZEGÓLNYCH PROCEDUR HAMOWANIA Niewyprzgane koleje linowe krzesekowe o ruchu okrnym mog by wyhamowywane za pomoc hamulców mechanicznych poprzez dwie procedury ( STOP- Awaria SA i STOP-Niebezpieczestwo SN ). Rónica pomidzy tymi procedurami polega na tym, e w procedurze SA uruchamiany jest tylko zespó hamulca ruchowego, natomiast w procedurze SN dziaaj obydwa zespoy hamulców mechanicznych. Momenty si hamowania naley oblicza wg zalenoci (3) i (4), uwzgldniajc wczeniej wyznaczon warto cakowitego momentu bezwadnoci mas i wspóczynnika oporów ruchu. Zaleno (4) stosuje si do procedury SN przy odpowiednich parametrach odczytanych ze sporzdzonych charakterystyk procesów hamowania. M HR d I U F D 2i lo c hr hr lo Dknap op knap p (3)

8 376 Tomasz Magiera M I U d F lo SN / hg c SN / hg SN / hg lo op Dknap D 2 knap (4) gdzie: M HR /SN moment hamowania dla odpowiedniej procedury, i p przeoenie przekadni, U hr/sn/hg sia obwodowa na kole napdowym w zalenoci od rodzaju procedury, d lo rednica oyska wau napdowego, F op sia oporów na kole napdowym, D knap rednica koa napdowego, hr/sn/ hg przyspieszenie ktowe, lo wspóczynnik tarcia w oysku. Wartoci momentów si hamowania powinny zosta obliczone dla wszystkich procedur hamowania, dla trzech rodzajów nominalnego obcienia kolei (0%, 50% i 100%). Jeeli obliczone wartoci momentów hamowania dla poszczególnych procedur, przy wszystkich okrelonych obcieniach, bd sobie równe, naley przej do kolejnego etapu weryfikacji. Ostatni etap, weryfikacj sumy momentów si hamowania od poszczególnych zespoów hamulców, z momentem si hamowania dla procedury SN, naley przeprowadzi, uwzgldniajc wyniki dla procedury Stop-Hamulec Gówny HG. Moment siy dla procedury HG naley obliczy wg wzoru (4). Proces weryfikacji wartoci cakowitego momentu bezwadnoci mas ruchomych naley przyj za poprawny, jeeli w ostatnim etapie uzyskano takie same wartoci momentów si hamowania dla porównywanych procedur. 4. PODSUMOWANIE Przedstawiona metoda dowiadczalnego wyznaczania wartoci oporów ruchu i cakowitego momentu bezwadnoci mas wraz z ich weryfikacj zostaa przeprowadzona i sprawdzona z pozytywnymi rezultatami na kolejach linowych eksploatowanych w Polsce. Wykazano, e dokadna warto oporów ruchu powinna by obliczana indywidualnie w celu póniejszej analizy ukadu mechanicznego konkretnej kolei linowej. Poprawnie wyznaczona warto cakowitego momentu bezwadnoci kolei linowej jest determinant przy okreleniu poprawnego modelu numerycznego kolei linowej w aspekcie analizy drga niskoczstotliwociowych cigna i redukcji ich amplitudy. Przedstawiona praca badawcza zostaa sfinansowana ze rodków Narodowego Centrum Nauki, jako cz projektu nr 5387/B/T02/2011/40 Bibliografia 1. Bryja D. Knawa M.: Vibrations of carrying of ropeway system loaded by passenger carriers modeled by series of moving pendulums. ISVR University of Southampton, UK Doppelmayr A.: Warunki projektowania napowietrznych kolei jednolinowych o ruchu okrnym, Wolfurt 1997.

9 Metoda dowiadczalnego wyznaczania oporów ruchu ukadu mechanicznego kolei linowych Hoffmann K.: Oscillation effects of ropeways caused by cross-wind and other influences. FME Transactions no.37, Faculty of Mechanical Engineering, Belgrade Kopanakis G, Canale R.: Schwingungen bei Seilbahnen, Internationale Seilbahn-Rundschau 2/2010, Wien Park Y., Viet L.:Vibration control of the axisymmetric spherical pendulum by dynamic vibration absorber moving in radical direction. Journal of Mechanical Science and Technology no. 25, KSME&Springer, Seoul, Korea Sedivy P. Seilbahnbau, Universität Innsbruck, Innsbruck Rozporzdzenie Ministra Transportu z dn r., w sprawie warunków technicznych dozoru technicznego w zakresie projektowania, wytwarzania, eksploatacji, naprawy i modernizacji urzdze transportu linowego. EXPERIMENTAL VERIFICATION OF MOTION RESISTANCE OF ROPEWAYS, BASED ON DYNAMIC TESTS Summary: The article provides information about full methodology of motion resistance coefficient of a whole fixed-grip ropeway system. The results of the method are getting the exact values of the motion resistance coefficient and momentum of inertia, based on conducted research on chairlifts. The methodology of the both values verification was described as well. Keywords: ropeways, motion resistance, dynamic