BADANIA SYMULACYJNE KONSTRUKCJI CHRONIĄCEJ PRZY WYWRÓCENIU SIĘ MASZYNY

BADANIA SYMULACYJNE KONSTRUKCJI CHRONIĄCEJ PRZY WYWRÓCENIU SIĘ MASZYNY górnictwo Odkrywkowe DESIGN CALCUATIONS ON MACHINE ROLL-OVER PROTECTIVE STRUCTURE Jacek Karliński, Mariusz Ptak - Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn, Politechnika Wrocławska Konstrukcje chroniące operatorów maszyn do robót ziemnych są ważnym elementem wyposażenia stosowanym w wielu grupach maszyn pracujących w budownictwie a także górnictwie. Ich budowa ma zapewnić ochronę przestrzeni życiowej podczas wywrócenia się maszyny. Takie konstrukcje mogą stanowić integralną część kabiny lub być osobną strukturą znajdującą się na zewnątrz kabiny. W pracy przedstawiono metodykę przeprowadzenia badań wytrzymałościowych konstrukcji chroniących przy wykorzystaniu metod numerycznych. The operator protective structures for the earth movers are important safety device used in many groups of machines working in the construction as well as in the mining. The structure is supposed to protect the man safety space while the machine rolls over. Such structures can be an integral part of the cabin or be fitted outside the cabin. The paper outlines the methodology of conducting strength analysis of protective structures using numerical methods. Wprowadzenie Maszyny do robót ziemnych są w szczególny sposób narażone na obciążenia wynikające z sytuacji wypadkowej związanej bądź to z wywróceniem maszyny lub uderzeniem wywołanym spadającymi przedmiotami. Struktury chroniące operatora maszyny podczas wywrócenia są elementami stosowanymi obligatoryjnie. Są one wykorzystywane w maszynach budowlanych, jak i górniczych a także innych, w których charakter pracy jest związany z możliwością wywrócenia się na stoku bądź to na nierównościach terenu. Ich najważniejszym zadaniem jest ochrona przestrzeni życiowej, w której znajduje się operator, zdefiniowanej za pomocą makiety DLV (ang. Deflection Limiting Volume) [2]. Ustrój nośny kabiny podczas sytuacji wypadkowej, oprócz ochrony przestrzeni życiowej, ma zapewnić przenoszenie sił związanych z wywróceniem się maszyny oraz pochłonąć określoną energię. Ustawodawca przewiduje wykonanie trzech prób wytrzymałościowych w następującej po sobie kolejności: obciążenie siłą boczną (symulujące wywrócenie się maszyny na bok), obciążenie siłą pionową (zgniatanie kabiny wywołane przez wywrócenie się maszyny na dach) oraz obciążenie siłą wzdłużną (symulujące wjechanie przodem lub tyłem maszyny w przestrzeń o obniżonej wysokości mniejszej niż wysokość maszyny). W przypadku obciążenia bocznego oprócz przeniesienia wymaganej siły, warunkiem koniecznym, który musi zostać spełniony, jest pochłonięcie określonej energii. Warunek jest ten szczególnie trudny do spełnienia, ponieważ wymaga od projektanta dużego doświadczenia w projektowaniu tego typu obiektów i spełnienia dwóch przeciwnych warunków. Jest to zagadnienie trudne, a w przypadku złożonych struktur wręcz niemożliwe. Konstrukcja chroniąca musi być na tyle sztywna, aby przenieść obciążenie siłą boczną i jednocześnie podatna na tyle, aby pochłonąć energię [1]. W górnictwie podziemnym surowców mineralnych oraz w pracach tunelowych związanych z budową dróg stosowane są w procesie wydobywczym maszyny kołowe służące do wiercenia otworów strzałowych oraz kotwienia. Struktura tego typu maszyn jest do siebie podobna i najczęściej składa się z ciągnika połączonego przegubowo z platformą przednią, na której znajdują się zamocowane: konstrukcja chroniąca oraz wysięgniki z masztami wiertniczymi lub wieżyczkami kotwiącymi (rys.1). W zależności od potrzeb, konstrukcja kabiny może mieć zmienną wysokość, co ułatwia transport oraz umożliwia zwiększenie pola widoczności operatorowi maszyny podczas wiercenia otworów strzałowych. Tego typu struktura rodzi jednak szereg problemów związanych z dostosowaniem jej do wymagań bezpieczeństwa zawartych w aktach normatywnych. Masa takich maszyn dochodzi do 30 000 kg i w przypadku wywrócenia się pojazdu konstrukcja musi ochronić przestrzeń życiową zdefiniowana makietą DLV. W pracy przedstawiono metodykę przeprowadzenie badań symulacyjnych tego typu obiektów z wykorzystaniem metody elementów skończonych [3, 5] oraz analizę i dyskusję otrzymanych wyników. Przeprowadzono analizę konstrukcji chroniącej operatora wiertnicy Face Master 2.3 NV, polskiej firmy Mine Master sp z o.o. Rys. 1. Samojezdna maszyna wiertnicza z kabiną zmiennej wysokości (Fot. Mine Master sp z o.o.) Opis obiektu badań Samojezdna maszyna wiercąca typu Face Master 2.3NV, jest wąską dwuwysięgnikową wiertnicą stosowaną zarówno w pracach związanych z wydobyciem surowców mineralnych (kopalnie) jak i w pracach tunelowych (budowa dróg). Analizowaną konstrukcję chroniącą, będącą obiektem badań, przedstawiono na rysunku 2. Górna część konstrukcji chroniącej jest podnoszona za pomocą dwóch siłowników hydraulicznych, 19

blokowanych na określonej wysokości zarówno mechanicznie, jak i hydraulicznie (mechanicznie za pomocą sworzni zabezpieczających, blokowanych w otworach znajdujących się zarówno w słupie zewnętrznym jak i słupie wewnętrznym, hydraulicznie za pomocą rozdzielacza jak i zaworów dławiących). Materiał użyty do budowy kabiny to stal S355J2G3, której własności wytrzymałościowe są następujące: granica plastyczności R emin = 355 MPa, wytrzymałość na rozciąganie R mmin = 490-630 MPa, wydłużenie A 5 = 20-22 % Rys. 2. Obiekt badań konstrukcja chroniąca operatora Słupy zewnętrzne montowane są do ramy maszyny przy wykorzystaniu płyt o grubości 30 mm, w których znajdują się otwory pod śruby jak i otwór pod trzpień ustalający o średnicy 50 mm. Taki sposób mocowania gwarantuje, że podczas obciążenia siłą boczną bądź wzdłużną śruby nie będą obciążone siłami tnącymi. W przypadku analizowanej kabiny konstrukcja chroniąca stanowi jej integralną część, w wielu przypadkach jest to dodatkowa struktura znajdującą się nad kabiną (rys. 3 kolor czarny). Maszyny do robót ziemnych. Konstrukcje chroniące przy przewróceniu się maszyny. Wymagania i badania laboratoryjne. Określa ona grupy maszyn, dla których obligatoryjne jest przeprowadzenie badań wytrzymałościowych, metodę badań, a w szczególności sposób przeprowadzenia próby dla różnych obciążeń, sposób mocowania konstrukcji na stanowisku badawczym oraz kryteria oceny z uwzględnieniem charakteru pracy, struktury oraz masy maszyny. Mianem konstrukcji chroniącej przy wywróceniu (ROPS) określony jest układ elementów konstrukcyjnych rozmieszczonych na maszynie w sposób istotnie zmniejszający stopień zagrożenia operatora przy przewróceniu się maszyny. Pod określeniem elementy konstrukcyjne kryją się: rama, wsporniki, zamocowanie, gniazda wsporcze, sworznie, śruby, zawieszenie lub elastyczne urządzenie do pochłaniania wstrząsów używane do zamocowania tego układu do ramy maszyny itp. Konstruktor opracowujący projekt powinien uwzględnić tzw. przestrzeń chronioną DLV określającą przestrzeń, która na skutek odkształceń konstrukcji przy przewróceniu się maszyny lub po uderzeniu spadającego przedmiotu, nie może być naruszona. Jest to prostopadłościenne odwzorowanie wysokiego, siedzącego mężczyzny operatora w normalnej odzieży i kasku ochronnym. Wymiary i parametry przestrzeni DLV określa norma PN- EN ISO 3164:2009 Maszyny do robót ziemnych Laboratoryjna ocena konstrukcji chroniących operatora Wymagania dotyczące przestrzeni chronionej (rys.4). Charakterystyczne punkty makiety to: LA- oś ustalająca, odpowiadająca teoretycznej osi obrotu tułowia względem ud siedzącego operatora, LP- punkt ustalający, znajdujący się na przecięciu się osi ustalającej i osi symetrii przestrzeni chronionej punkt pokrywający się z punktem wyznaczonym na siedzisku. Makietę wykorzystuje się do symulacji wypadku, więc musi być ona zrobiona z takiego materiału, aby były widoczne wszelkie ślady związane z naruszeniem jej przez konstrukcję chroniącą operatora lub przez elementy jej wyposażenia. Rys. 3. Spycharka TD-40E z konstrukcja chroniącą ROPS (Fot. HSW S.A.) Rys. 4. Makieta DLV przestrzeń chroniona Badania konstrukcji chroniacych przy wywróceniu się maszyny Podczas pracy ciężkiej maszyny na nierównym terenie często dochodzi do przewracania się jej na bok. Zjawisko takie zostało przewidziane przez ustawodawcę. Wymagania jakie powinna spełniać konstrukcja chroniąca operatora maszyny przy wywróceniu się określa norma PN-EN ISO 3471:2009 Od konstrukcji chroniącej ROPS wymagana jest wytrzymałość na działanie sił w kierunku bocznym, pionowym i wzdłużnym oraz pochłanianie energii w kierunku bocznym. Zakłada się, że podczas prób, przy obciążeniu bocznym konstrukcja ROPS ugnie się, zachowując jednak zdolność do przenoszenia pozostałych obciążeń. Konstrukcja chroniąca spełnia wymagania, jeśli podczas prób nie zostanie naruszona przestrzeń DLV (rys. 4). 20

Dla maszyn należących do grupy: ładowarka, spycharka ciągnikowa, układarka rur, ugniatarka, ładowarki ze sterowaniem burtowym, koparko-ładowarka i koparki do rowów, których masa znajduje się w zakresie od 10 000 do 128 000 kg, wymagane wartości sił i energii opisane są następującymi zależnościami: Rys. 5. Punkt przyłożenia obciążenia bocznego do dwu i czterosłupowej konstrukcji chroniącej gdzie: M - Masa maszyny [kg], F b - Siła przy obciążeniu bocznym [N], U - Energia pochłonięta [J], F p - Siła przy obciążeniu pionowym [N], F w - Siła przy obciążeniu wzdłużnym [N]. W przypadku analizowanej konstrukcji chroniącej operatora, masa maszyny wynosi 23 800 kg, stąd wartości minimalne sił, które ustrój musi przenieść bez naruszenia przestrzeni chronionej są następujące: F b = 169 841 N, (5) F p = 466 718 N, (6) F w = 135 873 N. (7) Przy obciążeniu bocznym dodatkowo ustrój musi pochłonąć energię o wartości: Rys. 6. Sposób obciążenia siłą pionową i wzdłużną dwusłupowej konstrukcji chroniącej U = 36 951 J (8) Próbę obciążenia bocznego prowadzi się aż do momentu spełnienia obu warunków, najczęściej oznacza to, że obciążenie siłą boczną jest znacznie większe od wymaganego i jest prowadzone do momentu pochłonięcia energii. Analiza numeryczna prowadzona jest w sposób przyrostowy z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Ponieważ trudno jest z góry oszacować wartość obciążenia bocznego, przy którym konstrukcja spełni oba warunki jednocześnie, analizę numeryczną prowadzono w dwóch etapach: etap I zwiększanie obciążenia siłą boczną aż do momentu zniszczenia (przyrosty przemieszczenia), etap II ponowna analiza, kolejne obciążanie siła boczną (rys. 5), pionową (rys. 7) i wzdłużną (rys. 6) (przyrosty obciążenia). W pierwszym etapie wyznaczono charakterystykę pracy konstrukcji chroniącej, określającą zależność przyrostu siły bocznej w funkcji przemieszczenia. Analizę przeprowadzono aż do momentu uzyskania założonego przemieszczenia w punkcie przyłożenia siły. Po analizie wyznaczono wartości energii pochłoniętej zgodnie z zaleceniami zawartymi w PN według zależności (9) i rysunku 7. Rys. 7. Krzywa zależności siła ugięcie przy obciążaniu Określono moment zniszczenia, który można przyjąć jako moment, gdy uplastycznieniu ulegnie cały przekrój słupów (rys. 8 i 9), bądź, gdy charakterystyka siła-ugięcie osiągnie maksimum (rys. 8). Rys. 8. Charakterystyki siły i energii w funkcji przemieszczenia wyznaczone w punkcie przyłozenia siły 21

Tab. 1. Wartość przeniesionej siły i pochłoniętej energii w funkcji przemieszczenia (kolor zielony - osiągnięcie wymaganej siły, kolor żółty - osiągnięcie wymaganej energii, kolor czerwony zniszczenie w momencie uplastycznienia słupów, kolor pomarańczowy zniszczenie, przyjęte jako moment osiągnięcia maksymalnej siły. Rys. 9. Odkształcenia plastyczne moment zniszczenia; uplastycznie calego przekroju słupów W momencie osiągnięcia przez siłę boczną wartości obciążenia równej: F bn = 354 000 N, (10) uplastycznieniu uległy całe przekroje słupów i ten moment uznano za zniszczenie. Do tego momentu konstrukcja pochłonęła energię o wartości: U n = 42 006 J, (11) więc spełniła wymagania dotyczące obciążenia bocznego. Wyznaczono jednocześnie wartość siły, dla której konstrukcja spełnia jednocześnie dwa warunki dotyczącej minimalnej przenoszonej siły oraz pochłoniętej energii. Wyniki dla poszczególnych przyrostów przemieszczenia zestawiono w tabeli 1. Wartość obciążenia siła boczną, dla którego zostały spełnione warunki określone normą, wynosi: F bn = 346 900 N, (12) Po wyznaczeniu charakterystyk siły i energii oraz kreśleniu momentu zniszczenia konstrukcji chroniącej operatora przystąpiono do II etapu analizy. Zgodnie z PN-EN 3471:2009 Maszyny do robót ziemnych. Konstrukcje chroniące przy przewróceniu się maszyny. Wymagania i badania laboratoryjne zostały kolejno przyłożone obciążenia: 1. siłą boczna, 2. siłą pionowa, 3. siłą wzdłużna. Ponieważ konstrukcja w przypadku siły bocznej pochłania wymaganą energię przy znacznie większej od wymaganej wartości siły w analizie obciążono konstrukcję siłą boczną, przy której konstrukcja spełnia warunek pochłanianej energii. Kolejność i wartości obciążenia są następujące: 1. Siła boczna F b = 346 900 N wartość pochłoniętej energii wynosi 37 819 J 2. Siła pionowa F p = 466 718 N 3. Siła wzdłużna F w = 135 873 N Wyniki przedstawiono na następujących rysunkach: dla siły bocznej - rys. 10, dla siły pionowej - rys. 11, dla siły wzdłużnej - rys. 12. przemieszczenie [m] siła [N] energia [J] 0 0 0 0.0020 27303 27 0.0040 54601 109 0.0060 81899 246 0.0080 109170 437 0.0100 136270 684 0.0120 161830 979 0.0140 185450 1328 0.0161 207420 1730 0.0179 226120 2142 0.1297 345080 36789 0.1300 345140 36897 0.1327 346900 37819 0.1346 348400 38492 0.1368 349770 39234 0.1388 351000 39960 0.1408 352060 40640 0.1428 353080 41350 0.1446 354000 42006 0.1467 354710 42734 0.1488 355450 43469 0.1508 356010 44180 0.1528 356390 44894 0.1547 356730 45604 0.1568 356900 46319 0.1590 357150 47110 0.1605 357530 47657 0.1614 357610 47991 0.1620 357770 48185 0.1620 357870 48208 0.1623 357980 48291 0.1625 357990 48381 0.1627 358000 48456 0.1630 358010 48537 0.1630 357810 48546 0.1633 357880 48648 0.1635 357940 48730 0.1641 357950 48955 22

Rys. 10. Warstwice odkształceń plastycznych dla siły bocznej (widok z przodu) (skala deformacji 3:1) Rys. 11. Warstwice odkształceń plastycznych dla siły pionowej (widok z przodu) (skala deformacji 3:1) Rys. 12. Warstwice odkształceń plastycznych dla siły wzdłużnej (widok z przodu) (skala deformacji 3:1) 23

Analiza wyników i wnioski końcowe Opracowany model dyskretny konstrukcji chroniącej operatora samojezdnej maszyny wiertniczej typu Face Master 2.3NV poddano numerycznej symulacji obciążeń, zgodnie z PN-EN ISO 3471:2009 Maszyny do robót ziemnych. Konstrukcje chroniące przy przewróceniu się maszyny. Wymagania i badania laboratoryjne. Badania symulacyjne dla tego typu konstrukcji należy wykonać w dwóch etapach. Etap I wyznaczenie momentu zniszczenia oraz charakterystyk związanych z obciążeniem bocznym. Należy go wykonać stosując nieliniową analizę statyczną z procedurą przyrostową, w której zmieniane jest przemieszczenie. Etap II przeprowadzenie właściwej analizy wytrzymałościowej, powinien być wykonany w odmienny sposób. Mianowicie, należy zmieniać wartości obciążeń wg charakterystyk zaproponowanych i pokazanych przez autorów na rysunku 13. Wymagane jest uwzględnienie w analizie zjawisk kontaktowych oraz nieliniowości geometrycznej i fizycznej [4]. Przy tym należy pamiętać o kryterium oceny, którym oprócz warunków wytrzymałościowych związanych z obciążeniem jest kryterium maksymalnych ugięć. Makieta DLV nie może zostać naruszona przez konstrukcję chroniącą operatora oraz żaden element jej wyposażenia. Tylko w przypadku, gdy kierunek obciążenia jest prostopadły do tylnej powierzchni makiety DLV (plecy operatora), dopuszczalne jest odchylenie o wartości 15 stopni. W niniejszym badaniu konstrukcja chroniąca operatora spełniła minimalne wymagania określone zgodnie PN EN 3471:2009. Rys. 13. Charakterystyki zmian obciązenia dla II etapu analizy Literatura [1] Literatura [1] Kowalczyk M., Smolnicki T., Stańco M.: Wybrane aspekty kształtowania wytrzymałościowego ram przestrzennych metodą elementów skończonych. Transport Przemysłowy (2), 2008 [2] Clark B., Perera N., Thambiratnam D.: Enhancing the impact energy absorption in roll over protective structures. International Journal of Crashworthiness 13(2), Taylor & Francis Ltd., 2008. [3] Rusiński, E.: Metoda elementów skończonych- system Cosmos/M. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa, 1994 [4] Rusiński E., Czmochowski J., Smolnicki T.: Zaawansowana metoda elementów skończonych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2000. [5] Zienkiewicz O. C.Taylor R. L.: The Finie Element Metod. Fourth Edition. Vol. 1 and Vol. 2., McGraw-Hill, England 1991. Artykuł recenzował dr hab. inż. Tadeusz Smolnicki, prof. nadzw. PWr Rękopis otrzymano 7.05.2010 r. *2188 24