Politechnika Warszawska Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Instytut Maszyn Roboczych Ciężkich Laboratorium Dźwigów Ćwiczenie W6 Badania pasowego układu cięgnowego dźwigu Wersja robocza Tylko do użytku wewnętrznego SiMR PW Warszawa 2015 Wszelkie prawa zastrzeżone
1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z problematyką zjawiska sprzężenia ciernego w mechanizmach podnoszenia dźwigów wyposażonych w pasowy układ cięgnowy. W ćwiczeniu studenci dokonują oceny sprzężenia ciernego na przykładzie modelu dźwigu elektrycznego. 2. WPROWADZENIE Poniższe informacje stanowią uzupełnienie wiadomości teoretycznych, przedstawionych w instrukcji do ćwiczenia W5 ( Ocena sprzężenia ciernego dźwigu elektrycznego ). Podstawowe informacje o pasowych układach cięgnowych W budowie dźwigów ciernych zasadniczym elementem zapewniającym przenoszenie sił pojawiających się w czasie pracy urządzenia, a zatem decydujących o bezpiecznej pracy dźwigu, są cięgna nośne, współpracujące z tarczą cierną, pomiędzy którymi rozwijane są siły związane ze zjawiskiem tarcia opasania. Dominującym rodzajem cięgien nośnych we współcześnie instalowanych dźwigach są nadal cięgna w postaci stalowych lin splotkowych (okrągłych) o odpowiedniej konstrukcji i wytrzymałości. Coraz częściej można jednak spotkać dźwigi, w których zamiast liny okrągłej rolę tę pełni płaski pas nośny, złożony z lin stalowych w osnowie z tworzyw sztucznych. Przyczyn zainteresowania konstruktorów tego typu cięgnami należy się dopatrywać w ich cechach, wynikających ze specyficznej budowy. Rdzeń pasa stanowi zestaw płasko ułożonych linek stalowych o stosunkowo niedużych średnicach, które zapewniają odpowiednią wytrzymałość mechaniczną. Z kolei użycie osnowy z tworzyw sztucznych chroni rdzeń przed uszkodzeniami, degradacją i zwiększa współczynnik tarcia rozwijanego w czasie pracy. Taka budowa pozwala na wzrost trwałości zespołu nośnego poprzez zwiększenie powierzchni styku pasa z kołem ciernym (pasowym) zmniejszeniu ulegają naciski jednostkowe. Jednocześnie płaskie ułożenie lin rdzenia zapewnia znacznie większą giętkość i elastyczność pasa w porównaniu do tradycyjnych lin dźwignicowych o zbliżonej wytrzymałości (stanowiłyby one linę o większej średnicy), co umożliwia znaczne zmniejszenie wymiarów koła ciernego, a w efekcie całego układu napędowego oraz wymaganej przestrzeni maszynowni. Są to niewątpliwe zalety, które pozwalają przezwyciężyć część ograniczeń występujących w tradycyjnych układach cięgnowych. Pasy posiadają jednak i kilka w porównaniu z linami mankamentów. Są to, m. in.: dużo bardziej skomplikowane określanie stanu linek nośnych w trakcie eksploatacji, zbyt duża cierność w sytuacjach eksploatacyjnych, w których dźwig powinien ją stracić (zablokowanie kabiny, podciąganie kabiny, gdy przeciwwaga spoczywa na zderzakach). 2
W najczęściej spotykanych typach pasów nośnych powierzchnia robocza ma formę wieloklinową, pozwalającą na współpracę z odpowiednio ukształtowanym kołem ciernym. Taki typ pasa jest stosowany również w ćwiczeniu. Oprócz tego stosowane bywają również pasy gładkie, lecz charakteryzują się mniejszą powierzchnią tarcia, co powoduje zwiększenie szerokości koła pasowego. Odpowiednie ukształtowanie powierzchni współpracujących pozwala, podobnie jak w przypadku dźwigów z tradycyjnymi układami olinowania, kształtować pozorny współczynnik tarcia. Budowę przykładowego wieloklinowego pasa nośnego przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1 Przykładowa konstrukcja pasa nośnego Sprzężenie cierne w dźwigach Niezależnie od zastosowanego rodzaju cięgna nośnego (liny lub pasy), prawidłowe działanie dźwigu ciernego jest możliwe dzięki tym samym zjawiskom fizycznym, związanym z tarciem opasania, rozwijanym pomiędzy cięgnem nośnym a kołem ciernym. W takim układzie powstaje sprzężenie cierne, wywołane siłami przyczepności pomiędzy poszczególnymi elementami. Ocenę występującego sprzężenia umożliwia zależność Eulera- Eytelweina, która pozwala określić maksymalną możliwą w danych warunkach nierównomierność obciążenia po obu stronach koła ciernego. Zależność ta ma postać: S S 1 fα e (1) 2 gdzie: S 1, S 2 siły w linach po obu stronach koła ciernego (przy czym w mianowniku zawsze występuje siła o mniejszej wartości) f pozorny współczynnik tarcia (funkcja współczynnika tarcia µ i geometrii rowka linowego w kole ciernym) α - kąt opasania na kole ciernym Występujące w powyższym wzorze wyrażenie e fα określane jest mianem współczynnika udźwigu. Zwiększenie jego wartości powoduje wzrost wartości siły przenoszonej przez koło 3
cierne, a w efekcie zwiększa możliwość prawidłowego działania dźwigu przy występowaniu większej różnicy sił po obu stronach tarczy ciernej. Konieczność spełnienia nierówności (1) w określonych sytuacjach eksploatacyjnych (załadunek kabiny, normalna jazda, hamowanie wywołane zatrzymaniem awaryjnym), stanowi podstawę doboru odpowiednich parametrów konstrukcyjnych dźwigu oraz warunkuje jego poprawne i bezpieczne działanie. 3. OPIS STANOWISKA Schemat stanowiska badawczego służącego do oceny sprzężenia ciernego układów z pasami nośnymi przedstawia rys. 2. Tarcza cierna o wieloklinowym profilu rowka, zamocowana jest do ramy stanowiska i unieruchomiona na potrzeby przeprowadzenia ćwiczenia. Cięgno nośne (pas) jest z jednej strony obciążone ciężarkami, których masa symbolizuje przeciwwagę. Część pasa zbiegająca z drugiej strony tarczy ciernej jest nawijana na bęben przy pomocy silnika elektrycznego, który pełni rolę zmiennego obciążenia, poprzez możliwość płynnego zwiększania napięcia w cięgnie. Generowana w ten sposób siła w cięgnie odpowiada sile pochodzącej od obciążenia wywoływanego przez kabinę wraz z ładunkiem. Po obu stronach kola ciernego zamocowane są czujniki, które pozwalają określić siły występujące w pasie, a pośrednio siłę przenoszoną przez tarcie. Kąt opasania tarczy ciernej jest stały i wynosi β = 180. KOŁO CIERNE CZUJNIK SIŁY CZUJNIK SIŁY PRZECIWWAGA SILNIK KABINA Rys. 2 Schemat stanowiska badawczego. 4
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA W ćwiczeniu należy wykonać pomiar sił w pasie nośnym po obu stronach tarczy ciernej na stanowisku badawczym i porównać otrzymane wyniki z obliczeniami przeprowadzonymi dla linowych cięgien nośnych, dla analogicznych warunków pracy. Część obliczeniowa Dla dźwigu wyposażonego w linowy układ cięgien nośnych wyznaczyć wartości pozornego współczynnika tarcia i współczynnika udźwigu, dla określonych parametrów rowków linowych i wartości kąta opasania. W obliczeniach wziąć pod uwagę statyczne warunki pracy (załadunek dźwigu). Następnie dla określonej masy przeciwwagi wyznaczyć maksymalną masę kabiny, z którą dźwig będzie pracował prawidłowo pod względem sprzężenia ciernego. Część praktyczna - przed przystąpieniem do oceny cierności sprawdzić prawidłowość działania i ustawień stanowiska (w tym działania przycisków STOP), - ustalić czas pomiaru i włączyć rejestrację sił, - odczytać wartości sił S 1 i S 2 w warunkach obciążenia statycznego, - wyzerować wskazania czujników i ponownie uruchomić pomiar sił - uruchomić silnik, - po wystąpieniu poślizgu i zakończeniu pomiaru zatrzymać silnik, a następnie odczytać wartość maksymalną sił przed wystąpieniem poślizgu, - na podstawie zarejestrowanych w czasie pomiarów wartości sił, wyznaczyć wartości współczynnika udźwigu i pozornego współczynnika tarcia dla dźwigu z pasowym układem cięgnowym, - wykonać kolejne próby przy innej wartości obciążenia po stronie przeciwwagi. Sprawozdanie W sprawozdaniu należy zamieścić: - obliczenia teoretyczne cierności dla układu linowego, - wyniki pomiarów i obliczenia cierności dla układu pasowego, - wnioski dotyczące porównania wyników obliczeń przeprowadzonych dla lin nośnych i rzeczywistego zachowania dźwigu pracującego na pasach podczas prób, - wnioski dotyczące wpływu zmiany obciążenia po stronie przeciwwagi na uzyskiwany pozorny współczynnik tarcia oraz współczynnik udźwigu. 5
5. WYMAGANY ZAKRES WIADOMOŚCI OGÓLNYCH - znajomość zagadnień tarcia (ogólnie), - znajomość ogólnej budowy dźwigów elektrycznych (ciernych), - podstawowe pojęcia dotyczące dźwigów ciernych (współczynnik udźwigu, współczynnik niewyrównoważenia), - znajomość zależności Eulera Eytelweina. Ponadto obowiązuje znajomość zagadnień przedstawionych w instrukcji do ćwiczenia W5 ( Ocena sprzężenia ciernego dźwigu elektrycznego ). LITERATURA [1] Kwaśniewski, J., Dźwigi osobowe i towarowe. Budowa i eksploatacja, AGH, Kraków, 2004. [2] PN-EN 81.1:2002 Przepisy bezpieczeństwa dotyczące budowy i instalowania dźwigów. Część 1: Dźwigi elektryczne. 6