INSTRUKCJA. Obciążenia ustroju nośnego suwnicy pomostowej podczas jazdy

Transkrypt

1 INSTRUKCJA 1 Temat ć wiczenia laboratoryjnego Obciążenia ustroju nośnego suwnicy pomostowej podczas jazdy I. Wprowadzenie Obciążenia ustrojów nośnych suwnic są bardzo zróżnicowane co do rodzaju, źródła pochodzenia, wielkości oraz charakteru, częstości i czasu oddziaływania, co ma swoje odzwierciedlenie w ich klasyfikacji, między innymi według odpowiednich norm międzynarodowych ISO i europejskich EN z zakresu obliczania dźwignic. Głównymi źródłami obciążeń ustrojów nośnych suwnic pomostowych są : - masy własne elementów i części tych ustrojów (w tym także zmieniają cych i nie zmieniają cych swe położenie względem innych elementów i części), - masy przenoszonych ładunków, - przyśpieszenia i opóźnienia w okresach nieustalonych ruchów roboczych suwnic, - dynamiczne oddziaływania mas własnych suwnic i przenoszonych ładunków, - dynamiczne oddziaływania jezdni podsuwnicowej, zderzaków i odbojów, - sprężyste deformacje ustrojów nośnych wywołane odchyłkami ich wykonania i montażu oraz różnicami w charakterystykach napędów równoległych (mieszczą cymi się w granicach tolerancji wykonawczych), - parcie wiatru. W zależności od częstości występowania i czasu oddziaływania, obciążenia działają ce na ustroje nośne suwnic pomostowych dzieli się na: - obciążenia regularne, które występują w trakcie normalnej eksploatacji i są skutkami działania grawitacji oraz przyśpieszeń i opóźnień w okresach rozruchów i hamowań ruchów roboczych suwnicy, - obciążenia nieregularne, które występują również w warunkach normalnej eksploatacji i są powodowane przez np. parcie wiatru (tzw. stanu roboczego), wpływ temperatury czy przez zjawisko tzw. ukosowania się suwnicy podczas jazdy, - obciążenia wyją tkowe, które występują sporadycznie w warunkach innych od normalnej eksploatacji i są wywołane np. bardzo silnym parciem wiatru (tzw. stanu burzowego), sejsmicznym oddziaływaniem, uszkodzeniem mechanizmów roboczych czy uderzeniem w odboje.

2 2 Obciążenia ustrojów nośnych suwnic, występują ce podczas ich jazdy, kwalifikują się do wszystkich wyżej wymienionych grup obciążeń i należą do tych, których prawidłowe określenie wartości ma szczególnie istotne znaczenie dla bezpiecznego zwymiarowania wytrzymałościowego tych ustrojów, zwłaszcza charakteryzują cych się dużymi rozpiętościami (rozstawami szyn toru jezdnego) w stosunku do rozstawów kół jezdnych suwnic (na każdej z szyn toru). Wśród obciążeń, istotniejszych dla wspomnianego bezpiecznego zwymiarowania wytrzymałościowego ustrojów nośnych suwnic, występują cych podczas lub w następstwie ich jazdy wymienić należy: - obciążenia powodowane tzw. zukosowaniem suwnicy na torze jezdnym, - obciążenia powodowane przejazdami kół suwnicy przez nierówności na torze jezdnym, - obciążenia powodowane uderzeniem suwnicy w odboje lub zderzeniem z drugą suwnicą na torze jezdnym. Obciążenia te, występują ce nieregularnie i niejednocześnie, uwzględnia się obliczeniowo w tzw. koincydencyjnych układach skojarzonych obciążeń, które jednocześnie działają c w płaszczyźnie poziomej i pionowej w różnych miejscach ustroju nośnego suwnicy powodują jego określone wytężenie wytrzymałościowe, podlegają ce obliczeniowemu sprawdzeniu według odpowiednich norm ISO lub EN. II. Teoretyczne i normowe podstawy określania wybranych obciążeń ustrojó w nośnych suwnic wystę pujących podczas jazdy - obciążenia wywołane zukosowaniem suwnicy Zukosowanie, rozumiane jako każde odchylenie położenia ustroju nośnego suwnicy na torowisku od położenia idealnego (w którym oś wzdłużna pomostu jest prostopadła do osi torowiska) jest zewnętrznym objawem procesu tzw. ukosowania się suwnicy podczas jazdy, w którym jej ustrój nośny wykonuje względem torowiska obroty (w granicach luzów między główkami szyn a obrzeżami kół jezdnych suwnicy) i jednocześnie odkształca się sprężyście w płaszczyźnie poziomej [1]. Działają ce w tej płaszczyźnie zewnętrzne obciążenia ustroju nośnego jadą cej suwnicy są równoważone przez siły w punktach styku główek szyn z bieżniami (siły sprzężenia ciernego) i obrzeżami kół lub bocznych rolek prowadzą cych (siły sprzężenia kształtowego).

3 3 Na ustrój ten, potraktowany jako nieodkształcalna w płaszczyźnie poziomej rama wykonują ca ruch płaski, działają wzdłużne i poprzeczne (do osi szyn) składowe sił od zukosowania F x1i, F y1i, F x2i, F y2i, powstają ce na skutek obrotu ustroju względem tzw. chwilowego bieguna poślizgu (rys.1). Siły te równoważone są przez jedną, największą co do wartości, siłę prowadzą cą F y, która występuje w przypadku stykania się z szyną tylko jednego z elementów prowadzą cych suwnicę po torze. Jest to przypadek tzw. jazdy z jedną siłą prowadzą cą suwnicę, który spośród innych możliwych przypadków (jazdy z większą liczbą sił prowadzą cych) jest najbardziej niekorzystnym dla ustroju nośnego suwnicy pod względem wielkości jego poziomych obcią żeń. Rys.1. Obciążenia ustroju nośnego suwnicy wywołane jej zukosowaniem

4 4 Obliczeniowe wartości wymienionych sił wyznacza się według norm [2] i [3] w zależności od cech mechanizmu jazdy suwnicy (z centralnym lub indywidualnym napędem) i sposobu osadzenia kół (z możliwością poprzecznego przesuwu lub bez) oraz w zależności od podstawowych stosunków wymiarowych ustroju nośnego suwnicy (rozpiętości pomostu do rozstawu jego kół ). Wartość siły prowadzą cej F y jest określona według wyżej wymienionych norm wzorem F y = υ f mg (1) natomiast wartości wspomnianych składowych sił od zukosowania suwnicy można wyznaczyć według tych norm z następują cych zależności: F x1i = ξ 1i f mg (2) F y1i = υ 1ι f mg (3) F x2i = ξ 2i f mg (4) F y2i =υ 2ι f mg (5) gdzie: f współ czynnik tarcia potoczystego, zależny od ką ta zukosowania α, określony wzorem f= 0,3[1-exp( -250 α )] (dla α < 0,15 rad) (6) mg - siła ciężkości całej suwnicy, ξ 1i, ξ 2i wartości parametrów zależnych od położenia chwilowego bieguna poślizgu (określonego przez µ, µ, h - rys.1), rozpiętości l, liczby n par kół suwnicy i rodzaju napędu jazdy (ξ 1i = ξ 1i = 0 dla mech. jazdy z indywidualnymi napędami), υ 1ι, υ 2ι - wartości parametrów zależnych od położenia chwilowego bieguna poślizgu (µ, µ, h), odległości d i oraz od liczby n par kół suwnicy. III. Metodyka pomiaró w wybranych obciążeń ustrojó w nośnych suwnic W pomiarach wyżej wymienionych obciążeń na obiektach rzeczywistych wykorzystuje się przede wszystkim metody tensometryczne, umożliwiają ce uzyskanie najdokładniejszych, w porównaniu z innymi możliwymi metodami, wyników pomiarów tych obciążeń przy spełnieniu odpowiednich niżej opisanych warunków przeprowadzania tych pomiarów.

5 5 Metodyka omawianych pomiarów jest oparta na wykorzystaniu jednoznacznych (zwykle dają cych się ująć analitycznie) zwią zków pomiędzy wskazaniami tensometrycznych punktów pomiarowych w wybranych miejscach ustrojów nośnych suwnic, a działają - cymi na nie obciążeniami. W tym sensie tensometryczne metody pomiarów obciążeń ustrojów nośnych suwnic są metodami pośrednimi, w praktyce jedynymi przydatnymi w pomiarach tych obciążeń (za wyją tkiem obciążeń pochodzą cych od masy transportowanego ładunku), dla których instalowanie odpowiednich przetworników sił jest niemożliwe lub wymagałoby wprowadzania istnych zmian konstrukcyjnych w ustrojach nośnych suwnic. Tensometryczne punkty pomiarowe obciążeń tych ustrojów zawierają rozety tensometryczne lub pojedyncze tensometry połą czone w pełny mostek Wheastone a (we wszystkich przypadkach, w których jest to możliwe) zapewniają cy kompensację wpływu temperatury i zwielokrotnienie poziomu sygnału pomiarowego (nawet czterokrotne - w porównaniu z sygnałem z jednego tensometru czynnego). Rozety lub pojedyncze tensometry, naklejane w wybranych miejscach ustrojów nośnych suwnic, są zorientowane zgodnie z kierunkami głównych naprężeń (odkształceń ) wywołanych działaniem mierzonych obciążeń. Wskazania tensometrycznych punktów pomiarowych, wyrażone w bezwymiarowych jednostkach (zwykle w promilach), są liniowo zależne od odkształceń względnych ε i zwią - zanych z naprężeniami normalnymi σ i na powierzchni (płaski stan naprężeń) danego elementu ustroju nośnego, gdzie σ i = ε i E lub σ i = ε i E / (1 + ν ) (E moduł Younga, ν - współ cz. Poissona). Wyznaczone w ten sposób wartości σ i można wykorzystać do określenia wartości mierzonych obciążeń F i, na podstawie zależności F i, = F i, (σ i ), znanych np. z wytrzymałości materiałów. Najdokładniejsze wyniki pomiarów obciążeń omawianą metodą tensometryczną zapewnia jednak przecechowanie wskazań ich tensometrycznych punktów pomiarowych w jednostkach sił, zewnętrznie przykładanych do ustroju nośnego suwnicy w miejscach działania mierzonych obciążeń. W wyniku bezpośredniego, doświadczalnego wyznaczenia zależności między wskazaniami tensometrycznych punktów pomiarowych a wartościami mierzonych obcią żeń kompensowane są bowiem wpływy m.in. wykonawczych odchyłek elementów ustroju nośnego, odchyłek parametrów tensometrów (rezystancji, stałej tensometrów k) i wpływy parametrów kabli tensometrycznych (między punktami tensometrycznymi a wzmacniaczem pomiarowym) wynikają ce np. z ich różnych długości.

6 IV. Przykład zastosowania metody tensometrycznej do pomiaru wybranych obciążeń ustroju nośnego suwnicy pomostowej podczas jazdy 6 Mierzone obciążenia (siły prowadzą ce) F H1i, F H2i, działają ce w punktach styku z szynami bocznych rolek prowadzą cych suwnicę po torze w laboratorium (rys.2), są w swej istocie reakcjami na opisane wyżej poziome siły występują ce przy ukosowaniu się suwnicy podczas jazdy (ściślej składowe siły boczne F y1i, F y2i według rys 1). IV.1. Lokalizacja tensometrycznych punktó w pomiarowych obciążeń F H1i, F H2i Punkty te (tylko z nazwy) są zespołami 2 par tensometrów naklejonych na specjalnie zamontowanych sworzniach pomiarowych obejm bocznych rolek prowadzą cych na koń - cach obu czołownic suwnicy (rys.2). Sworznie te są ścinane siłami S H1i, S H2i, których momenty względem osi obrotu O górnego sworznia obejmy rolek (szczegół A na rys.2) równoważą momenty względem tej osi pochodzą ce od mierzonych obcią żeń F H1i, F H2i. Rys.2. Lokalizacja tensometrycznych punktów pomiarowych PT H1i, PT H2i wybranych obciążeń poziomych F H1i, F H2i ustroju nośnego suwnicy IV.2. Tensometryczny układ pomiarowy obciążeń poziomych F H1i, F H2i Układ ten obejmuje 4 tensometryczne punkty pomiarowe PT H11, PT H12, PT H21, PT H22, (sworznie pomiarowe obciążeń poziomych ustroju nośnego suwnicy), z których każdy zawiera 4 tensometry czynne połą czone w pełny mostek Wheastone a (rys.3).

7 7 Rys. 3. Schemat tensometrycznego punktu pomiarowego poziomych obciążeń F H22 Wszystkie punkty pomiarowe są połą czone z wielokanałowym wzmacniaczem pomiarowym. Do każdego z tych punktów, na jedną przeką tną mostka Wheastone a jest podawane jedna parą przewodów napięcie zasilania [V] (stałe lub zmienne zależnie od rodzaju wzmacniacza pomiarowego), a z drugiej przeką tnej tego mostka jest odbierany napięciowy sygnał pomiarowy [mv], który jest we wzmacniaczu pomiarowym odpowiednio przetwarzany (m.in. wzmacniany i odfiltrowywany z zakłoceń ), a następnie jest zapisywany przez wielokanałowy rejestrator (cyfrowy zestaw akwizycji danych zapisują cy je na dysku komputerowym). W przedstawionym na rys.4 układzie pomiarowym znajduje się monitor umożliwiają cy bieżą cy podglą d rejestrowanych przebiegów zmian obciążeń. Podobną funkcję może spełniać wielokanałowy rejestrator z taśmą papierową. Rys.4. Schemat tensometrycznego układu pomiarowego poziomych obciążeń F H1i, F H2i ustroju nośnego suwnicy pomostowej

8 8 Rys.4. Wyglą d rzeczywisty czujnika sił bocznych IV.3. Podstawowe warunki przeprowadzania pomiaró w obciążeń F H1i, F H2i Prawidłowość i dokładność pomiaru wyżej wymienionych obciążeń ustroju nośnego jest uzależniona przede wszystkim od: - ustalenia i przyjęcia właściwego poziomu zerowego sygnału pomiarowego dla tensometrycznych punktów pomiarowych PT H1i, PT H2i, - doboru i ustawienia we wzmacniaczu pomiarowym odpowiedniego zakresu pomiarowego dla poszczególnych kanałów pomiarowych, - przecechowania wskazań tensometrycznych punktów pomiarowych. Aby spełnić powyższe warunki należy między innymi: 1) Wyznaczyć i ustawić w układzie pomiarowym zerowy poziom sygnałów pomiarowych z punktów PT H1i, PT H2i, przy całkowicie odciążonych bocznych rolkach prowadzą cych suwnicy. W tym celu można dokonywać krótkich przejazdów suwnicy na przemian w przeciwnych kierunkach aby ustawiać ją w takich położeniach, w których kolejne pary rolek prowadzą cych (jednej lub drugiej czołownicy) nie będą stykały się z bokami główek szyn toru jezdnego suwnicy. W przypadkach, w których nie jest możliwe uzyskanie takiego odciążenia, zero sygnału pomiarowego dla każdego z punktów PT H1i, PT H2i, można wyznaczać oddzielnie jako średnią arytmetyczną z co najmniej 60 odczytów wskazań tych punktów, po zahamowaniach jazdy suwnicy (na przemian w przeciwnych kierunkach) i zluzowaniach hamulców mechanicznych, w 3 różnych miejscach na najczęściej eksploatowanym odcinku torowiska suwnicy lub w pobliżu jego koń ców i w pośrodku długości.

9 9 2) Przyjąć i ustawić na wszystkich kanałach pomiarowych jednakowe zakresy pomiarowe wielkości tego samego rodzaju (tzn. jednakowe zakresy dla F H1i i F H2i ) celem ułatwienia późniejszej analizy wyników pomiarów. Wielkość zakresu pomiarowego powinna być nieznacznie większa od największej z maksymalnych wartości mierzonych obciążeń (wtedy wzmocnienie tensometrycznego sygnału pomiarowego jest możliwie jak najmniejsze, przez co zminimalizowany jest także wpływ zewnętrznych zakłóceń ). 3) Obciążać każdą parę rolek prowadzą cych (nie stykają cych się z szyną ) poziomą i prostopadłą do szyny siłą o przynajmniej trzech różnych wartościach celem sprawdzenia liniowości wskazań tensometrycznych punktów pomiarowych w funkcji wartości tej siły cechują cej. Jak już wcześniej wspomniano w p.iii, jest to działanie zapewniają ce najwyższą dokładność pomiarów obciążeń jaką można osią gnąć w danych warunkach ich przeprowadzania i przy danej klasie dokładności aparatury i przyrzą dów w tensometrycznym układzie pomiarowym. V. Program ć wiczenia laboratoryjnego 1. Przeszkolenie w zakresie BHP. 2. Przygotowanie suwnicy i aparatury badawczej do pomiarów Ustalenie zera wskazań poszczególnych punktów pomiarowych (rolki prowadzą - ce bez styku z bokami główek szyn) Ustalenie zakresu pomiarowego na poszczególnych kanałach pomiarowych (próbne przejazdy suwnicą ) Cechowanie wskazań poszczególnych punktów pomiarowych (obciążanie rolek siłami poziomymi o znanej wartości). 3. Pomiary obciążeń F H1i i F H2i - rejestracja wskazań tensometrycznych punktów pomiarowych PT H1i, PT H2i 4. Analiza wyników pomiarów 4.1. Wyznaczenie wartości największej zmierzonej siły prowadzą cej Wyznaczenie wg normy [2] lub [3] obliczeniowej wartości siły prowadzą cej? 4.3. Porównawcza ocena wartości zmierzonych sił prowadzą cych - wnioski 5. Opracowanie sprawozdania ad.1 Prowadzą cy ćwiczenie zapoznaje wszystkich uczestniczą cych z podstawowymi zasadami bezpiecznego przebywania w obszarze pracy suwnicy oraz z zasadami bezpiecz-

10 nego wykonywania wszystkich czynności zwią zanych z przygotowaniem suwnicy i aparatury badawczej do pomiarów. 10 ad 2. Wszystkie czynności powinny być wykonane w sposób zapewniają cy spełnienie warunków przedstawionych w p.iv.3. W celu ustalenia właściwego poziomu zerowego sygnału pomiarowego z tensometrycznych punktów PT H1i, PT H2i, do całkowitego zluzowania rolek prowadzą cych można (oprócz sposobów opisanych w ustęp 1) p.iv.3) doprowadzić poprzez wymuszanie poprzecznego przesunięcia kół odciążonej czołownicy tzn. gdy nieobciążona wcią garka stoi przy drugiej czołownicy. W celu ustalenia jednakowego zakresu pomiarowego na poszczególnych kanałach należy wykonać próbne przejazdy suwnicą na krótkich odcinkach w obu kierunkach z pełną prędkością. Największa z zarejestrowanych wartości wskazań z tensometrycznych punktów PT H1i, PT H2i, jest podstawą ustalenia wspomnianego zakresu pomiarowego. Przy cechowaniu poszczególnych punktów pomiarowych, największe wartości siły cechują cej powinny być tak dobrane aby odpowiadają ce im wskazania tych punktów były bliskie ustawionemu zakresowi pomiarowemu (jednakowemu na wszystkich kanałach). ad 3. W pomiarach tych, zależnie od liczby będą cych w dyspozycji kanałów pomiarowych i możliwości jednoczesnego zapisu przesyłanych nimi sygnałów, należy podczas jazdy suwnicy kolejno w dwóch przeciwnych kierunkach, rejestrować wskazania przynajmniej 2 punktów pomiarowych znajdują cych się na tych samych koń cach przeciwległych czołownic. ad 4. Analiza ta obejmuje prace, których część (w zakresie podpunktu 4.1.) jest wykonywana przez studentów w laboratorium bezpośrednio po zakoń czeniu pomiarów obcią - żeń F H1i i F H2i, a pozostałe prace (w zakresie podpunktów 4.2, 4.3) są wykonywane przez studentów indywidualnie po ćwiczeniu laboratoryjnym. Największą co do bezwzględnej wartości zmierzoną siłę prowadzą cą F H1i lub F H2i należy znaleźć po przejrzeniu wszystkich przebiegów zmian wskazań tensometrycznych punktów pomiarowych PT H1i, PT H2i, (zarejestrowanych na kanałach o tym samym zakresie pomiarowym).

11 11 Obliczeniową wartość siły prowadzą cej F y według normy [2] lub [3] należy wyznaczyć korzystają c ze wzorów (1), (6), (7), (8) oraz następują cych danych (rys.5): l = 5,17m; e k = 1,25m; e r = 1,58m; mg = 85kN; d 1 = 0,165; d 2 = 1,415m; n = 2; p = 0; µ = 0,36; α = 0,15 rad d1 + d 2 h = (7) d1 + d 2 d1 + d 2 υ = 1 (8) n h Rys.6. Schemat i dane suwnicy do obliczenia siły prowadzą cej według normy PN-ISO Porównują c ekstremalne wartości zmierzonych sił prowadzą cych F H1i lub F H2i należy sprawdzić istnienie zwią zku między kierunkiem jazdy suwnicy a występowaniem największej siły prowadzą cej F y na jednym z koń ców czołownic suwnicy (zgodnie z rys.1). Następnie należy porównać wartość największej zmierzonej siły F H1i lub F H2i (uprzednio wyznaczoną w p.4.1) z wartością obliczeniowej siły F y (wyznaczoną w p.4.2) i sformułować wnioski z wszystkich przeprowadzonych porównań. ad.5. Sprawozdanie z odbytego ćwiczenia laboratoryjnego (zgodnie z ww. punktami 1-4) powinno zawierać krótki opis jego przebiegu, prezentację wyników przeprowadzonych pomiarów i obliczeń oraz wnioski z ich analizy i oceny porównawczej. Literatura [1]. Grabowski E.: Ograniczanie zukosowania suwnic. Transport Przemysłowy nr 2/2001. [2]. Norma PN-ISO :1999: Dźwignice. Zasady obliczania i kojarzenia obciążeń. Postanowienia ogólne. Wydawnictwo Normalizacyjne [3]. Norma EN :2000: Cranes. General Design Part 2: Load effects. CEN B-1050 Brussels.