Modelowanie konstrukcji osłony ratowniczej indywidualnej

Transkrypt

1 Dr in. Krzysztof MAZUREK Instytut Techniki Górniczej KOMAG Modelowanie konstrukcji osłony ratowniczej indywidualnej S t r e s z c z e n i e W niniejszej publikacji przedstawiono symulacj komputerow crash-testów osłon ratowniczych, opracowanych w ITG KOMAG, słucych do zabezpieczenia ratownika znajdujcego si w przodku tunelu ratowniczego. Przedstawiono przykład doboru parametrów konstrukcyjnych osłony ratowniczej indywidualnej ze wzgldu na kryterium minimalizacji masy, przy równoczesnym spełnieniu wymaga dyrektywy FOPS. S u m m a r y Computer simulation of crash tests of rescue shield supports, developed in KOMAG to protect rescuers, which are working in the rescue tunnel face, are presented in the paper. Examples of selecting the design parameters of individual rescue support to minimise its weight with meeting the requirements of FOPS directive, are given. 1. Wprowadzenie W przypadku wystpienia katastrofy górniczej bezpieczestwo pracy załóg górniczych w duej mierze uzalenione jest od szybkiej i sprawnej akcji ratowniczej. W wyniku zaistniałego zdarzenia losowego, wyrobisko moe zosta wypełnione zniszczonymi elementami obudowy, sprztu oraz czsto rozdrobnionym wglem lub odłamkami skał na okrelonej długoci. W zagruzowanym wyrobisku czsto zostaj uwizieni ludzie. Dotarcie do zagroonej załogi wymaga wykonania w zawale wyrobiska ratowniczego, którego kształt i kierunek jest zmienny i dostosowany do biecych potrzeb oraz warunków wystpujcych w wyrobisku, np. przeszkód trudnych do usunicia, i zabezpieczenia go tak obudow, aby ratownikom oraz osobom poszkodowanym zapewni moliwie najwiksze bezpieczestwo [1, 6]. Obudowa prowadzona bez kontaktu z rumowiskiem otaczajcym wyrobisko moe by naraona na obcienie dynamiczne wywołane uderzeniem opadajcych skał. Z kolei drenie tunelu w skałach silnie rozdrobnionych powoduje, e rumosz skalny przedostaje si do przedziału roboczego. Analiza konstrukcji obudów ratowniczych stosowanych w polskim górnictwie wgla kamiennego, przedstawiona szczegółowo w pracy [3], dowodzi, e dotychczas nie zostały w pełni rozwizane, midzy innymi, problemy zabezpieczenia ratownika znajdujcego si w przodku tunelu ratowniczego. Rys.1. Schemat osłony ratowniczej indywidualnej, rozsunitej na maksymaln i minimaln wysoko [3] MASZYNY GÓRNICZE 3/2013 3

2 W zwizku z powyszym w ITG KOMAG opracowano koncepcj osłony ratowniczej indywidualnej, przeznaczonej przede wszystkim do zabezpieczenia ratownika pracujcego w przodku zgruzowanego wyrobiska. Osłona ratownicza indywidualna, przedstawiona schematycznie na rysunku 1, składa si z: daszka (1) i płóz (2), połczonych ze sob sworzniami (3) dziki czemu istnieje moliwo regulacji wysokoci osłony. Dodatkowo, osłona moe by wyposaona w lamp (4) oraz akumulator (5). Konstrukcja osłony pozwala na przejcie obcienia dynamicznego, spowodowanego np. spadajcymi odłamkami skał oraz elementami zniszczonej obudowy wyrobiska. Oprócz podstawowego zastosowania - ochrony ratownika pracujcego bezporednio w przodku indywidualna osłona ratownicza moe by wykorzystana jako dodatkowe zabezpieczenie odcinka chodnika, szczególnie naraonego na obcienia dynamiczne, np. zlokalizowanego pod pustkami. Przykładowy schemat obudowy ratowniczej (2), wyposaonej w omawian osłon ratownicz (1) przedstawiono na rysunku 2. Rys.2. Schemat obudowy ratowniczej wyposaonej w osłony [3] Osłona ratownicza indywidualna pełni rol dodatkowego wzmocnienia przestrzeni stropowej zabezpieczonej obudow ratownicz, prowadzon w zagruzowanym wyrobisku. W zwizku z powyszym konstrukcja osłony powinna spełnia wymagania w zakresie konstrukcji ochronnych FOPS (ang. Falling- Object Protective Structures). W niniejszej publikacji przedstawiono wyniki oblicze numerycznych crashtestów osłon ratowniczych, które wykorzystano w procesie doboru parametrów konstrukcyjnych, wpływajcych na sztywno i stateczno, z uwagi na kryterium minimalizacji masy. Badania modelowe przeprowadzono z wykorzystaniem metody elementów skoczonych. 2. Obliczenia numeryczne Konstrukcje ochronne musz spełnia wymagania bezpieczestwa zgodnie z zapisami normy PN-EN ISO 3449:2009 (oryginał) Maszyny do robót ziemnych. Konstrukcje chronice przed spadajcymi przedmiotami. Wymagania i badania laboratoryjne [7]. W normie tej okrelono wytyczne prowadzenia prób stanowiskowych dla konstrukcji ochronnych, które podczas bada poddawane s działaniu obcienia dynamicznego, w postaci swobodnie spadajcego obcinika. Mas obcinika i wysoko spadku swobodnego dobiera si w zalenoci od warunków pracy i spodziewanej, wielkoci obcienia dynamicznego, działajcego na badany obiekt. Konstrukcj indywidualnej osłony ratowniczej zaszeregowano do drugiej grupy konstrukcji ochronnych, zabezpieczajcych przed uderzeniem spadajcych duych obiektów. Zgodnie z norm [7] podczas bada stanowiskowych na osłon ratownicz powinien spa obcinik, który w momencie uderzenia bdzie miał energi kinetyczn wynoszc 11,6 kj. Standardowy laboratoryjny obcinik badawczy, przedstawiony na rysunku 3a, ma kształt walca, a jego masa wynosi 227 kg. Podczas bada zrzucany jest on z wysokoci 5,22 m. Wysokoci spadku obcinika wyznacza si z krzywej wymaganej energii kinetycznej podczas uderzenia, przedstawionej na rysunku 3b. We wntrzu obrysu konstrukcji ochronnej wydzielono przestrze chronion, do której podczas zdarzenia nie powinna wnikn adna cz osłony ratowniczej. Kształt i połoenie przestrzeni chronionej zale od pozycji, jak zajmuje górnik podczas pracy w tunelu ratowniczym. W przypadku przodka chodnika ratowniczego strop zabezpieczany jest obudow wyprzedzajc, której oparcie stanowi odrzwia obudowy i gruzowisko. Zastosowanie osłony indywidualnej zwiksza zatem bezpieczestwo stanowiskowe w przestrzeni oznaczonej na rysunku 4 kolorem czerwonym. Załoono, e w skutek dynamicznego obcienia warto strzałki ugicia, mierzona od dolnej zewntrznej krawdzi konstrukcji osłony, nie moe by wiksza ni 70 mm. Celem sprawdzenia konstrukcji osłony ratowniczej indywidualnej zgodnie z wymaganiami w zakresie konstrukcji ochronnych FOPS, przeprowadzono badania modelowe crash-testy z wykorzystaniem metody elementów skoczonych. Wymagania zawarte w normie [7] dotycz bada stanowiskowych obiektów rzeczywistych. Jednake zaawansowane metody komputerowe umoliwiaj przeprowadzenie symulacji uderzenia konstrukcji ochronnej jeszcze na etapie konstruowania i zweryfikowanie poprawnoci przyjtych rozwiza konstrukcyjnych. 4 MASZYNY GÓRNICZE 3/2013

3 Rys.3. Parametry charakteryzujce badania stanowiskowe: a) standardowy obcinik laboratoryjny (d 2 = mm, d 3 = mm, l 3 = 584 mm), b)krzywa wymaganej energii kinetycznej uderzenia [7] Rys.4. Osłona ratownicza indywidualna z oznaczon przestrzeni chronion [4] Rys.5. Modele obliczeniowe: osłony ratowniczej i standardowego obcinika [4] MASZYNY GÓRNICZE 3/2013 5

4 Budowa zadania numerycznego wymaga od konstruktora zdefiniowania w sposób cisły, a szczególnie w przypadku analizy obcienia dynamicznego, warunków przeprowadzenia analizy, gdy dane wejciowe maj istotny wpływ na ocen wytenia konstrukcji oraz sposób jej deformacji pod zadanym obcieniem zewntrznym. Dotyczy to zarówno dokładnoci odwzorowania geometrii modelu, ustalenia warunków brzegowych, jakie s nałoone na model, jak i parametrów materiałowych przyjtych przy jego budowie [2, 5]. Szczegółowe informacje dotyczce budowy zadania numerycznego przedstawiono w pracy [4]. Przykładowe modele dyskretne osłony ratowniczej indywidualnej wraz ze standardowym obcinikiem badawczym przedstawiono na rysunku 5. Jednorodnym elementom skoczonym, z których utworzono modele dyskretne, przypisano model materiału sprysto-plastycznego oraz zdefiniowano kontakt pomidzy współpracujcymi powierzchniami. Charakter obcienia udarowego zaley w istotny sposób zarówno od energii poruszajcego si ciała o okrelonej masie, jak równie od prdkoci z jak uderza ono w badan konstrukcj. W analizowanym zadaniu numerycznym zastosowano obcienie zewntrzne, w postaci udaru masy poruszajcej si z prdkoci pocztkow, obliczon zgodnie z zalenoci: gdzie: v o = 2 g h (1) g przypieszenie ziemskie [m/s 2 ], h wysoko spadku obcinika [m]. Celem skrócenia czasu oblicze, model obcinika umieszczono na wysokoci 0,06 m nad modelem osłony ratowniczej i zdefiniowano jego prdko pocztkow, wynoszc 10,06 [m/s], co odpowiada prdkoci jak osignłby bijak spadajc swobodnie z wysokoci 5,22 m. Kocowym etapem przygotowania zadania numerycznego jest wygenerowanie pliku wejciowego, zawierajcego informacj o geometrii, rozpatrywanym przypadku obcienia zewntrznego, warunkach brzegowych oraz parametry analizy (czas trwania analizy, startowy i minimalny krok czasowy, specyfikacja zbiorów wyników jakie chce si otrzyma). W nastpnym kroku realizowane s obliczenia numeryczne. Czas wykonywania oblicze numerycznych zaley nie tylko od przyjtych parametrów analizy, lecz równie od rozmiarów zadania numerycznego, na które istotnie wpływaj: liczba stopni swobody oraz wymiar najmniejszego elementu skoczonego. Wielkoci te, a zwłaszcza wymiary najmniejszego elementu, s cile zwizane z uproszczeniami zastosowanymi w modelu osłony. Ze wzgldu na konieczno przeanalizowania istotnie rónych postaci geometrycznych i konstrukcyjnych opracowano 10 modeli przestrzennych osłon indywidualnych. Wyniki oblicze numerycznych, w postaci maksymalnych wartoci strzałki ugicia górnej czci osłony ratowniczej oraz masy analizowanych modeli, zestawiono w tabeli 1. Zestawienie wyników oblicze numerycznych przeprowadzonych na modelach osłony ratowniczej indywidualnej [4] Tabela 1 model strzałka ugicia [mm] masa konstrukcji [kg] 1 254,0 30, ,0 29, ,0 30, ,3 39, ,8 44, ,5 56, ,0 34, ,5 36, ,4 40, ,7 30,05 Najmniejsz warto strzałki ugicia uzyskano w modelu nr 6. Uwzgldniajc jednak kryterium minimalizacji masy konstrukcji stwierdzono, e optymaln posta konstrukcyjn ma model nr 9, przedstawiony na rysunku 6. Rys.6. Model geometryczny analizowanej konstrukcji osłony ratowniczej indywidualnej model 9 [4] Na rysunku 7 zamieszczono map naprenia zredukowanego, naniesion na odkształcon posta analizowanego modelu 9 osłony ratowniczej indywidualnej. Przebieg czasowy przemieszczenia górnej czci modelu osłony przedstawiono na rysunku 8. 6 MASZYNY GÓRNICZE 3/2013

5 przemieszczenie [m] 0,08 0,06 0,04 0,02 Rys.7. Mapa naprenia zredukowanego w osłonie ratowniczej indywidualnej model 9 [4] 0 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 czas [s] Rys.8. Przebieg czasowy przemieszczenia górnej czci osłony model 9 [4] Celem sprawdzenia czy s spełnione wymagania normy [7] naley przeprowadzi badania stanowiskowe. Szczegółowe wyniki symulacji komputerowych wszystkich rozpatrywanych modeli osłon ratowniczych indywidualnych przedstawiono w pracy [4]. 3. Podsumowanie Zastosowanie osłony ratowniczej, której koncepcje przedstawiono w niniejszej publikacji, moe w znacznym stopniu wpłyn na zwikszenie bezpieczestwa pracy ratowników górniczych, zarówno przy budowie jak i póniejszym uytkowaniu tunelu. Indywidualna osłona ratownicza przedstawiona na rysunku 1 słuy głównie do ochrony ratownika pracujcego bezporednio w przodku tunelu ratowniczego prosto osiowego lub o niewielkim promieniu krzywizny. Moe ono równie stanowi dodatkowe zabezpieczenie odcinków chodnika szczególnie naraonych na obcienie dynamiczne. Ze wzgldu na wymiary gabarytowe opracowanej konstrukcji istnieje moliwo stosowania osłony niezalenie od rodzaju obudowy chodnika ratowniczego. W artykule przedstawiono przykład wykorzystania oblicze numerycznych w procesie projektowania. Dziki symulacjom komputerowym moliwe jest zredukowanie kosztów bada stanowiskowych i opracowanie konstrukcji spełniajcej załoone wymagania. Analizujc wyniki oblicze numerycznych stwierdzono, e korzystn, w aspekcie spełnienia wymaga dyrektywy FOPS oraz kryterium minimalizacji masy, posta konstrukcyjn ma model nr 9. Konstrukcja ta przeniosła zadane obcienie dynamiczne, a powstałe odkształcenia (spryste i plastyczne) nie naruszyły załoonej przestrzeni chronionej. Przedstawione wyniki symulacji komputerowych naley traktowa jako jakociowy opis zachowania analizowanych konstrukcji osłon pod wpływem działania obcienia udarowego, gdy w chwili obecnej nie ma moliwoci przeprowadzenia bada stanowiskowych niezbdnych do dowiadczalnego zweryfikowania utworzonych modeli dyskretnych. Literatura 1. wik B.: Ryzyko w ratownictwie górniczym. Bezpieczestwo Pracy i Ochrona rodowiska w Górnictwie, 1998 nr 5 s Karliski J., Rusiski E., Derlukiewicz D.: Numeryczna symulacja crash-testu konstrukcji ochronnych w maszynach górniczych. Przegld Mechaniczny 2007, nr 4, s Mazurek K.: Poprawa bezpieczestwa stanowiskowego w tunelu ratowniczym. Opracowanie koncepcji urzdzenia zabezpieczajcego przestrze pracy ratownika górniczego. ITG KOMAG. Gliwice 2010 (materiały nie publikowane). 4. Mazurek K.: Poprawa bezpieczestwa stanowiskowego w tunelu ratowniczym. Numeryczne symulacje crash-testów osłon ratowniczych. ITG KOMAG. Gliwice (materiały nie publikowane). 5. Mazurek K., Szyguła M.: Wpływ stopnia dyskretyzacji modelu stojaka na czas oblicze i otrzymane wyniki. Maszyny Górnicze 2011 nr 2 s Nowak A., Paczeniowski K.: Obudowy chodników ratowniczych stosowane w polskim górnictwie. W: Nowoczesne metody i rodki utrzymania wyrobisk górniczych, Konferencja naukowoszkoleniowa, Ustro, 1-2 czerwca 2006 r. Pr. Nauk. GIG, Konferencja 2006 nr 51 s Norma PN-EN ISO 3449:2009 Maszyny do robót ziemnych. Konstrukcje chronice przed spadajcymi przedmiotami. Wymagania i badania laboratoryjne. Artykuł wpłynł do redakcji w sierpniu 2013 r. MASZYNY GÓRNICZE 3/2013 7