Proces projektowania wcigników łacuchowych

Transkrypt

1 mgr in. Danuta CEBULA dr in. Marek KALITA Instytut Techniki Górniczej KOMAG Proces projektowania wcigników łacuchowych S t r e s z c z e n i e W artykule przedstawiono proces projektowania wcigników łacuchowych z napdem pneumatycznym i hydraulicznym opracowanych w ramach projektu celowego nr ROW-III-238/2013 realizowanego przez Fabryk Maszyn i Urzdze OMAG Sp. z o.o. oraz ITG KOMAG. Głównym celem projektu było opracowanie innowacyjnych rozwiza wcigników łacuchowych. Proces projektowania był wspomagany specjalistycznym oprogramowaniem. S u m m a r y Designing the chain hoists with pneumatic and hydraulic drive, developed within the targeted project No. ROW-III-238/2013 realized by OMAG Machine and Equipment Plant and KOMAG Institute of Mining Technology, is presented. Development of innovative solutions of chain hoists was the main project objective. Designing was aided by the special software programme. Słowa kluczowe: wcigniki łacuchowe, projektowanie, obliczenia numeryczne, model przestrzenny. Keywords: chain hoists, designing, numerical calculations, spatial model. 1. Wstp W przemyle górniczym do transportu bliskiego stosowane s rónego rodzaju rodki. S to midzy innymi wcigniki, umoliwiajce monta podzespołów maszyn i urzdze oraz przemieszczanie materiałów. Ze wzgldu na trudne warunki eksploatacji, w ograniczonych przestrzeniach wyrobisk i komór montaowych, urzdzenia dwignicowe, przeznaczone dla przemysłu górniczego oprócz odpowiedniego udwigu musz charakteryzowa si du prdkoci podnoszenia, niewielk mas własn i niewielkimi gabarytami [1, 2, 4, 5]. Uwzgldniajc potrzeby zakładów górniczych w zakresie prac dwignicowych, Fabryka Maszyn i Urzdze OMAG Sp. z o.o. wspólnie z Instytutem KOMAG, w ramach projektu celowego dofinansowanego przez Naczeln Organizacj Techniczn, opracowali i wdroyli do produkcji nowe rozwizania wcigników łacuchowych z napdem pneumatycznym i hydraulicznym. Istot zrealizowanego projektu było opracowanie oraz wdroenie do produkcji nowoczesnych wcigników łacuchowych przeznaczonych dla górnictwa podziemnego charakteryzujcych si niewielk mas, du prdkoci podnoszenia, prost budow oraz odpowiednim stosunkiem udwigu do masy własnej. Zaprojektowane i wykonane wcigniki łacuchowe przewidziane s do stosowania nie tylko w komorach montaowych i innych miejscach ze stacjonarnym ich zamocowaniem, ale równie, z uwagi na ich niewielk mas i gabaryty, mog by elementami zestawów transportowych np.: we cignikach manewrowych oraz kolejkach podwieszonych. Osignicie załoonych celów projektowych było moliwe dziki zastosowaniu nowoczesnych narzdzi wspomagajcych. Modele przestrzenne poszczególnych zespołów wcigników opracowano w programie Autodesk Inventor, a numeryczne analizy wytrzymałociowe wykonano w rodowisku MSC Nastran. Korzystne parametry kinematyczne i uytkowe wcigników osignito poprzez zaprojektowanie nowoczesnych układów napdowych oraz dziki specjalistycznemu oprogramowaniu umoliwiajcemu optymalizacj zespołów urzdzenia pod ktem zmniejszenia ich masy i wymiarów gabarytowych. 2. Załoenia projektowe Przed przystpieniem do realizacji projektu przeprowadzono analiz rynku w zakresie rozwiza górniczych wcigników łacuchowych. Przeprowadzono równie ankiet w zakładach górniczych dotyczc oczekiwanych parametrów technicznych nowo projektowanych wcigników łacuchowych. Zebrane informacje pozwoliły na sformułowanie załoe projektowych oraz zdefiniowanie podstawowych parametrów technicznych, jakimi powinny charakteryzowa si nowe rozwizania wcigników. Główne załoenia projektowe to: 22 MASZYNY GÓRNICZE 1/2014 udwig nominalny 30 kn na pojedynczym haku oraz 60 kn poprzez zblocze, prdko podnoszenia wcignika z napdem pneumatycznym do 6 m/min, prdko podnoszenia wcignika z napdem hydraulicznym do 10 m/min,

2 cinienie zasilania silnika pneumatycznego 0,3 0,7 MPa, cinienie zasilania silnika hydraulicznego MPa, masa wcignika pneumatycznego do 70 kg, masa wcignika hydraulicznego do 60 kg, stosunek udwigu do masy własnej ok. 100, moliwo szybkiej zmiany udwigu, moliwie dua unifikacja podzespołów. 3. Budowa wcignika łacuchowego Głównymi zespołami wcignika łacuchowego (rys. 1) s: kadłub nony, przekładnia obiegowa, zespół napdowy, elementy none (zblocze, zaczep i zawiesie). przekazywany jest za porednictwem poszczególnych przełoe zbatych na jarzmo wyposaone w sprzgło kłowe. Sprzgło, po zazbieniu si z kołem napdowym, wymusza jego obrót i przewijanie łacucha, którego jeden koniec zamocowany jest na stałe do kadłuba, a drugi jest zakoczony hakiem o nonoci 3 ton. Ponadto, łacuch przewinity przez koło zabudowane w zbloczu, umoliwia przenoszenie ładunków o nominalnej masie 6 ton. 4. Główne zespoły wcignika Głównym zespołem wcignika jest jego kadłub nony. Majc na uwadze przyjte załoenia projektowe oraz współprac kadłuba z pozostałymi zespołami wcignika opracowano jego model przestrzenny (rys. 2). Rys.1. Główne zespoły wcignika łacuchowego [3] Wyszczególnione podzespoły s podstawowymi elementami wcigników łacuchowych z napdem pneumatycznym i hydraulicznym. Główny element wcignika łacuchowego stanowi jego zespół nony, składajcy si z kadłuba, wewntrz którego umieszczono koło łacuchowe. Konstrukcja kadłuba umoliwia, w jego górnej czci, monta zawiesia, a w dolnej, wolnego koca łacucha. Kadłub umoliwia monta do niego z jednej strony przekładni obiegowej, a z drugiej zespołu napdowego. Do napdu wcigników, zarówno z napdem pneumatycznym, jak i hydraulicznym, zastosowano obiegow przekładni planetarn. Wałek wejciowy przekładni połczono za pomoc sprzgła z wałkiem silnika. Moment obrotowy z silnika napdowego Rys.2. Model przestrzenny kadłuba nonego wcignika [3] Kadłub nony jest zespołem przenoszcym maksymalne obcienia, jakim poddawany jest wcignik. Konieczno przenoszenia duych obcie oraz kryterium minimalizacji masy wcignika sprawiły, e niezbdnym było przeprowadzenie analizy wytrzymałociowej konstrukcji kadłuba, weryfikujcej jego stan naprenia. Optymalizacja postaci konstrukcyjnej kadłuba pod ktem minimalizacji jego masy wymagała opracowania kilku wariantów rozwiza, które poddano analizie wytrzymałociowej metod elementów skoczonych. Wyniki oblicze numerycznych w postaci mapy napre zredukowanych dla ostatecznego rozwizania kadłuba nonego pokazano na rysunku 3. Przeprowadzone obliczenia numeryczne pozwoliły na optymalizacj konstrukcji kadłuba nonego pod ktem minimalizacji jego masy, przy jednoczesnym zachowaniu wymaganej wytrzymałoci. Wyznaczone MASZYNY GÓRNICZE 1/

3 przy uyciu MES wartoci napre (oraz przemieszcze) oraz wyniki prowadzonych na bieco oblicze analitycznych umoliwiły wyznaczenie przekrojów krytycznych, jakie s niezbdne dla zachowania wytrzymałoci kadłuba. Rys.3. Mapa napre zredukowanych dla kadłuba nonego [3] Kolejnym głównym zespołem wcignika jest jego przekładnia. Wcignik z napdem pneumatycznym wyposaono w trójstopniow przekładni obiegow, a układ napdowy wcignika hydraulicznego w dwustopniow przekładni obiegow, z podwójnymi uzbieniami kół obiegowych na pierwszym stopniu (rys. 4). Opracowana przekładnia złoona jest z dwóch stopni obiegowych, o przełoeniu całkowitym i = 34,72. Na kadym ze stopni, pomidzy jarzmem a wiecem zbatym o uzbieniu wewntrznym, zabudowano po dwa koła obiegowe (satelity). Moment obrotowy jest przekazywany z silnika napdowego na wałek zbaty przekładni (1). Nastpnie wałek przekazuje moment na pierwsze uzbienie kół obiegowych (2). Drugie uzbienia kół obiegowych (3) przetaczaj si po wiecu zbatym I (4). Koła obiegowe stopnia pierwszego zamocowano w jarzmie I (5), na którym nacito zby drugiego stopnia przedmiotowej przekładni. Moment przekazywany jest dalej na kolejne, dwa koła obiegowe (6) drugiego stopnia, toczce si po wiecu zbatym II (7). Koła obiegowe II (6), osadzone w jarzmie II (8), nadaj Rys.4. Model przestrzenny dwustopniowej przekładni obiegowej zastosowanej we wcigniku hydraulicznym [3] Rys.5. Model przestrzenny trójstopniowej przekładni obiegowej zastosowanej we wcigniku pneumatycznym [3] 24 MASZYNY GÓRNICZE 1/2014

4 mu moment obrotowy, który za pomoc płaskich powierzchni wykonanych na tym jarzmie (sprzgło kłowe) przekazywany jest na koło łacuchowe. W budowie wcignika z napdem pneumatycznym zastosowano trójstopniow przekładni obiegow o całkowitym przełoeniu i = 110,22 (rys. 5). Na kadym ze stopni, pomidzy jarzmem (1) a wiecem zbatym (2), o uzbieniu wewntrznym, zabudowano po dwa koła obiegowe (3) (satelity). Podobnie, jak ma to miejsce w przekładni wcignika hydraulicznego, moment obrotowy z wałka (4), poprzez kolejne złoenia zbate, przekazywany jest na jarzmo zakoczone sprzgłem kłowym (5). Proces projektowania przekładni obiegowych był wielostopniowy i aby zapewni poprawn prac, odpowiedni wytrzymało oraz jak najmniejsz mas, koniecznym było spełnienie szeregu wymogów cile ze sob powizanych i w sposób bezporedni wpływajcych na siebie. Przystpujc do projektowania przekładni wstpnie załoono jej wymiary gabarytowe, które powinny by moliwie jak najbardziej zblione do wielkoci kołnierza kadłuba nonego. Kolejny warunek, jaki naleało spełni, to zapewnienie odpowiednich parametrów pracy wcignika. Przekładnia powinna przenosi siły wywoływane przez podnoszony ładunek oraz zapewnia podnoszenie ładunku z załoon prdkoci. Parametry te bezporednio wpływaj na wielko poszczególnych zazbie stopni przekładni. Nastpnym warunkiem, bez spełnienia którego projektowana przekładnia nie mogłaby funkcjonowa, to warunek jej montowalnoci. Pomimo wyznaczenia przełoenia przekładni, a co za tym idzie modułów i liczby zbów, konieczne było sprawdzenie, czy bdzie moliwe złoenie w cało poszczególnych stopni przekładni. Z uwagi na warunek małej masy własnej przekładni, załoonych wymiarów gabarytowych warunkujcych jej zabudow we wcigniku oraz załoonych parametrów kinematycznych, sprawdzano wytrzymało przekładni poprzez dopasowywanie szerokoci wieców zbatych oraz (w bardzo wskim zakresie) korygowanie liczby zbów i liczby kół obiegowych na poszczególnych stopniach. Efektem kocowym oblicze kinematycznych i wytrzymało- ciowych było opracowanie przekładni, która przenosi obcienia pochodzce od podnoszonej masy ze współczynnikiem bezpieczestwa wikszym od czterech. W ramach projektu opracowano równie rozwizania zespołów napdowych wcigników. Co do zasady działania zespoły napdowe wcigników s podobne, jednak przewidywany sposób ich zasilania mediami roboczymi (spronym powietrzem oraz olejem hydraulicznym/emulsj) spowodowały, e ich budowa okazała si znaczco róna. Pneumatyczny zespół napdowy (rys. 6) składa si z łopatkowego silnika pneumatycznego (1), zintegrowanego z suchym hamulcem wielopłytkowym (2). Ze wzgldu na dopasowanie zespołu napdowego do kadłuba nonego oraz denie do minimalizacji masy własnej wcignika, koniecznym było opracowanie kompleksowego rozwizania zespołu napdowego wraz z układem doprowadzenia powietrza i układem sterowania (3) kierunkami obrotów silnika. Rys.6. Pneumatyczny zespół napdowy [3] W celu zaprojektowania silnika pneumatycznego koniecznym było wykonanie szeregu oblicze kinematycznych pozwalajcych na wyznaczenie pracy łopatek wirnika oraz okrelenie wymaganej mocy silnika. Bezpieczn prac wcignika zapewnia hamulec postojowy. Analiza dostpnych na rynku rozwiza hamulców wielopłytkowych, w odniesieniu do warunków współpracy z silnikiem pneumatycznym i kryterium minimalizacji masy zespołu napdowego, wykazała konieczno opracowania autorskiego rozwizania hamulca. Przeprowadzone w trakcie procesu projektowania obliczenia pozwoliły na wyznaczenie parametrów technicznych hamulca spełniajcych warunek zastosowania w budowie pneumatycznego wcignika łacuchowego. Wyznaczona siła hamowania oraz układ kontroli zuycia okładzin ciernych sprawiaj, e opracowane rozwizanie hamulca pneumatycznego zapewnia bezpieczestwo pracy całego urzdzenia i uniemo- liwia jego uruchomienie przy nadmiernym zuyciu okładzin. Ostatnim podzespołem zapewniajcym poprawn prac pneumatycznego zespołu napdowego jest układ doprowadzenia spronego powietrza do silnika i hamulca oraz sterowania kierunkami obrotów (rys. 7). MASZYNY GÓRNICZE 1/

5 Rys.7. Zespół sterowania silnika pneumatycznego [3] Rys.8. Zespół napdowy hydraulicznego wcignika łacuchowego [3] Rys.9. Elementy none wcignika; a) zblocze, b) zaczep, c) zawiesie [3] Rys.10. Mapa napre zredukowanych dla konstrukcji: a) zblocza, b) zawiesia [3] 26 MASZYNY GÓRNICZE 1/2014

6 Zaproponowany zespół sterowania silnikiem pneumatycznym składa si z rozrzdu, wewntrz którego zabudowano tłoczki. Przesterowanie tłoczka pozwala na przekierowanie strumienia spronego powietrza do prawej lub lewej komory silnika, a tym samym na sterowanie kierunkiem jego obrotów. Budowa rozrzdu umoliwia równie doprowadzenie sygnału do odhamowania hamulca. W celu zwikszenia sprawnoci działania silnika pneumatycznego, opracowany rozrzd umoliwia kropelkowe doprowadzenie oleju do komór zasilajcych silnika. Opracowano równie zespół napdowy hydraulicznego wcignika łacuchowego (rys. 8). W zespole zastosowano handlowy silnik hydrauliczny (1), przystosowany do zasilania zarówno olejem hydraulicznym, jak i niskoprocentow emulsj. Silnik hydrauliczny, podobnie jak jego odpowiednik pneumatyczny, współpracuje z suchym hamulcem wielopłytkowym (2). Zasilanie silnika hydraulicznego oraz doprowadzenie sygnału na odhamowanie silnika realizowane jest za pomoc zaworów (3) zabudowanych w dolnej czci silnika. Zwarta budowa zespołu napdowego pozytywnie wpłynła na minimalizacje masy wcignika oraz jego wymiary gabarytowe. Parametry techniczne pneumatycznego i hydraulicznego zespołu napdowego oraz opracowanych hamulców wielopłytkowych zostały zweryfikowane podczas prób stanowiskowych wcigników łacuchowych. Optymalizacja postaci konstrukcyjnej dotyczyła równie elementów nonych odpowiedzialnych za monta wcignika w miejscu pracy oraz uchwytów zabudowanych na łacuchu (rys. 9). W czasie projektowania zblocza, zaczepu i zawiesia prowadzono obliczenia analityczne i numeryczne pozwalajce na wyznaczenie geometrii, spełniajcej warunki wytrzymałociowe przy moliwie małej masie własnej. Po opracowaniu modeli przestrzennych wyej wymienionych elementów przeprowadzono obliczenia numeryczne metod elementów skoczonych. Przykładow map napre zredukowanych dla konstrukcji zblocza i zawiesia pokazano na rysunku 10. Obliczenia numeryczne oraz analityczne przekrojów nonych zblocza zaczepu i haka pozwoliły na opracowanie ostatecznej postaci geometrycznej oraz dobór materiałów spełniajcych warunki wytrzymałociowe. 5. Podsumowanie Z uwagi na przewidywane miejsce eksploatacji, wcigniki łacuchowe powinny charakteryzowa si załoonym udwigiem przy moliwie duej prdkoci podnoszenia i moliwie niewielkiej masie własnej. Zagadnienie masy własnej, w przypadku wcigników łacuchowych, nabiera szczególnego znaczenia z chwil wystpienia koniecznoci zmiany miejsca eksploatacji urzdzenia. Przenoszenie urzdze oraz instalowanie ich powinno by realizowane przy ograniczonym wysiłku ludzi. Podstawowym załoeniem, poczynionym przed przystpieniem do realizacji projektu, było opracowanie lekkich wcigników z napdem pneumatycznym i hydraulicznym, o jak najlepszych parametrach ruchowych. W trakcie projektowania przedmiotowych wcigników poszukiwano rozwiza technicznych oraz materiałów pozwalajcych na minimalizacj masy, przy zachowaniu załoonych parametrów eksploatacyjnych. Opracowane modele przestrzenne kadłuba nonego, przekładni planetarnej oraz zespołów napdowych (pneumatycznego i hydraulicznego) pozwoliły na wyznaczenie, midzy innymi, parametrów ruchowych wcigników oraz ich masy. Podjte prace projektowe oraz analizy kinematyczne i wytrzymałociowe poszczególnych zespołów wcigników umoliwiły opracowanie ostatecznej postaci konstrukcyjnej wcigników. Optymalizacja zespołów wcigników łacuchowych pod ktem minimalizacji ich masy, umoliwiła wykonanie docelowych modeli przestrzennych, pozwalajcych, w dalszych etapach realizacji projektu, na opracowanie postaci konstrukcyjnej przedmiotowych urzdze. Podstawowe parametry techniczne wcigników przedstawiono w tabeli 1. Efektem kocowym prac projektowych s szczegółowe modele przestrzenne wcigników z napdem pneumatycznym i hydraulicznym (rys. 11). Wykonane modele pozwoliły, w dalszych etapach realizacji projektu, na opracowanie postaci konstrukcyjnej wcigników z napdem pneumatycznym i hydraulicznym. Wykorzystano je ponadto do opracowania materiałów reklamowych, promujcych i upowszechniajcych przedmiot wdroenia. Zaprojektowanie innowacyjnych wcigników łacuchowych było moliwie dziki zastosowaniu nowoczesnego oprogramowania wspomagajcego proces projektowania. MASZYNY GÓRNICZE 1/

7 Podstawowe parametry techniczne charakteryzujce wcigniki z napdem pneumatycznym i hydraulicznym [3] Tabela 1 Nazwa parametru Warto parametrów Udwig [kn] 30/60 Masa [kg] 60 Stosunek udwigu do ciaru własnego Rodzaj medium zasilajcego Cinienie zasilania [MPa] Prdko podnoszenia (dla udwigu 30/60kN) 100 Sprone powietrze, emulsja wodno-olejowa, olej 0,3 0,7 wcignik pneumatyczny wcignik hydrauliczny 6/3 m/min wcignik pneumatyczny 10/5 m/min wcignik hydrauliczny Rys.11. Modele przestrzenne wcigników łacuchowych z napdem: a) pneumatycznym, b) hydraulicznym [3] Literatura 1. Bałaga D., Budzyski Z., Kalita M. Prostaski D.: Nowe elektryczne wcigniki łacuchowe konstrukcji CMG KOMAG. Maszyny Górnicze 2007 nr 4(112). 2. Cebula D., Kalita M.: Innowacyjne rozwizania ITG KOMAG w zakresie górniczych urzdze dwignicowych W: Innowacyjne Techniki i Technologie dla Górnictwa, Bezpieczestwo Efektywno - Niezawodno KOMTECH, ITG KOMAG Gliwice 2013, str Raport kocowy z realizacji projektu celowego nr III-144/P-157/2012/P ROW-III-238/2012 ITG KOMAG Gliwice 2013 (materiały nie publikowane). 4. Nowe rozwizania pneumatycznych i hydraulicznych wcigników łacuchowych. W: Nowoczesne Metody Eksploatacji Wgla i Skał Zwizłych, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków 2013 s Klich A.: Maszyny i urzdzenia dla inynierii budownictwa podziemnego: wyrobiska korytarzowe i szybowe w górnictwie: praca zbiorowa. Wydaw. Nauk. lsk, Katowice, 1999 Artykuł wpłynł do redakcji w lutym 2014 r. 28 MASZYNY GÓRNICZE 1/2014