Dr in. Marek KALITA Instytut Techniki Górniczej KOMAG Konstrukcja ochronna operatora ładowarki górniczej w wietle przepisów i bada niszczcych S t r e s z c z e n i e W celu zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczestwa operatorom samojezdnych maszyn górniczych stosowane s rónego rodzaju konstrukcje ochronne. Stawiane im wymagania oraz sposób weryfikacji stopnia ochrony okrelaj normy i akty prawne zwizane z projektowaniem, badaniem i eksploatowaniem konstrukcji ochronnych operatorów maszyn górniczych, budowlanych i rolniczych itp. zostały przedstawione w niniejszym artykule. W artykule przedstawiono równie wyniki bada niszczcych kabiny ładowarki górniczej. S u m m a r y To ensure proper safety level of self-propelled mining machines, different types of protective structure are used. The requirements put to them as well as the method for verification of the protection level are included in the standards and legal acts on designing, testing and use of structures protecting operators of mining, construction and agricultural machines, which are cited in the paper. In addition, the results of crash test of mine loader cabin are given. 1. Wstp Operatorzy samojezdnych maszyn górniczych eksploatowanych w podziemnych wyrobiskach chodnikowych naraeni s, midzy innymi, na uderzenia powstałe w wyniku niekontrolowanego opadu skał stropowych. Zagroenie to moe skutkowa rozległymi obraeniami ciała, łcznie ze skutkiem miertelnym. W celu zapewnienia moliwie najwikszego poziomu bezpieczestwa biernego [1], maszyny górnicze wyposaane s w konstrukcje ochronne (kabiny), spełniajce wymagania dotyczce ochrony przestrzeni pracy operatora podczas eksploatacji maszyny [13]. O koniecznoci stosowania kabin ochronnych operatora wiadczy mog midzy innymi wypadki rejestrowane np. w górnictwie rud miedzi, gdzie zanotowano przypadki uratowania operatorów podczas zawałów skalnych [1]. Wymagania stawiane konstrukcjom ochronnym okrelaj normy mechaniczne i górnicze. W zalenoci od przeznaczenia, wyrónia si konstrukcje chronice przed: skutkami przewrócenia si maszyny ROPS (ang. roll-over protective structure), spadajcymi przedmiotami FOPS (ang. falling-object protective structure), skutkami obwałów skalnych RSPS (ang. rock slide protective structure). Zapewnienie bezpieczestwa przez kad z wyej wymienionych struktur ochronnych jest uwarunkowane zachowaniem w jej wntrzu przestrzeni makiety DLV (ang. deflection limiting volume), która odwzorowuje przestrze zajmowan przez operatora podczas normalnej eksploatacji maszyny. Polskie ustawodawstwo nakłada na producentów maszyn samojezdnych (midzy innymi górniczych, budowlanych czy rolniczych), wymóg obligatoryjnego oraz wszdzie tam, gdzie istnieje ryzyko przewrócenia si maszyny lub uderzenia jej przez spadajce przedmioty, fakultatywnego stosowania konstrukcji ochronnych operatora. Konstrukcje ochronne ROPS, FOPS i RSPS, ze wzgldu na potwierdzenie ich funkcji bezpieczestwa, poddawane s badaniom niszczcym potwierdzajcym ich stopie ochrony [12]. Uwzgldniajc powysze, w KOMAG-u, opracowano szereg konstrukcji ochronnych operatora [4]. Niektóre z nich, oprócz numerycznych oblicze wytrzymałociowych poddano równie badaniom niszczcym. Jedna z opracowanych konstrukcji ochronnych została zastosowana w ładowarce bocznie wysypujcej ŁBT-1200M (rys. 1). Oprócz oblicze wytrzymałociowych metod elementów skoczonych (MES) [14], zaprojektowan konstrukcj ochronn (kabin) poddano weryfikacji wytrzymałociowej poprzez badania niszczce. Rys.1. Ładowarka bocznie wysypujca ŁBT-1200M z zabudowan konstrukcj ochronn operatora [3] 16 MASZYNY GÓRNICZE 1/2013
2. Normy i akty prawne dotyczce konstrukcji ochronnych operatora Zadaniem konstrukcji ochronnej jest zapewnienie odpowiedniego poziomu bezpieczestwa operatorowi maszyny. Przed przystpieniem do procesu projektowania takiej konstrukcji, istotne jest sprecyzowanie wymaga, jakie powinna ona spełnia. Dyrektywy nowego podejcia oraz zharmonizowane z nimi normy, okrelaj wymagania bezpieczestwa konstrukcji ochronnych w zakresie projektowania i eksploatacji. W myl ustawodawstwa definiuje si trzy podstawowe rodzaje konstrukcji ochronnych zabezpieczajcych operatora maszyny przed okrelonymi rodzajami zagroe. Pierwszym zagroeniem, na jakie naraony jest operator maszyny, jest moliwo jej przewrócenia si podczas wykonywania czynnoci roboczych. Zakres ochrony operatora maszyny konstrukcj ochronn przed skutkami przewrócenia si maszyny (ROPS) przez wiele lat okrelany był norm europejsk PN-EN 13510:2004 (Maszyny do robót ziemnych. Konstrukcje chronice przy przewróceniu si maszyny. Wymagania i badania laboratoryjne) [6]. W normie tej zawarto zasady oceny obcie przenoszonych przez konstrukcj ochronn w przypadku przewrócenia si midzy innymi dla takich maszyn jak: spycharki, ładowarki gsienicowe i kołowe, walce, czy wywrotki. Obecnie norm t zastpiono norm PN-EN ISO 3471:2009 [7] zharmonizowan z Dyrektyw Maszynow. Kolejnym zagroeniem, na jakie naraony jest operator samojezdnej maszyny, jest moliwo uderzenia opadajcymi przedmiotami. Wymagania stawiane konstrukcjom chronicym operatora przed spadajcymi przedmiotami (FOPS) zdefiniowano w normie europejskiej PN-EN ISO 13627:2002 (Maszyny do robót ziemnych. Konstrukcje chronice przed spadajcymi przedmiotami. Wymagania i badania laboratoryjne) [8], któr uaktualniono, podobnie jak w przypadku normy ROPS, w zharmonizowanej z Dyrektyw Maszynow normie PN-EN ISO 2449:2009. Według normy konstrukcja ochronna zabezpiecza operatora przed skutkami upadku z wysokoci przedmiotów wówczas, gdy badania laboratoryjne potwierdz przeniesienie przez kabin energii nie mniejszej ni 11,6 kj [9]. W polskim ustawodawstwie stosowana jest równie Polska Norma PN-92/G-59001 (Samojezdne maszyny górnicze. Konstrukcje chronice operatora przed obwałami skał. Wymagania i badania). Okrela ona wymagania stawiane konstrukcjom chronicym operatora przed zagroeniami wynikajcymi ze stropowych obwałów skalnych (RSPS). Procedura badawcza konstrukcji RSPS jest podobna jak w przypadku konstrukcji (FOPS) z t rónic, e energia, jak musi pochłon konstrukcja ochronna nie moe by mniejsza ni 60 kj [10]. W przypadku koparek kompaktowych mona wyszczególni konstrukcje ochronne TOPS (Tip Over Protection Structure) [1]. Analizujc normy i akty prawne precyzujce wymagania stawiane konstrukcjom ochronnym, naley wspomnie o jeszcze jednej normie istotnej w procesie projektowania konstrukcji ochronnych operatora oraz prowadzenia bada weryfikujcych ich wytrzymało. Jest to norma PN-ISO 3164:2009 (Maszyny do robót ziemnych. Laboratoryjna ocena konstrukcji ochronnych operatora. Wymagania dotyczce przestrzeni chronionej), która wyznacza przestrze ochronn DLV, okrelajc granic odkształce konstrukcji ochronnej operatora, zarówno przed spadajcymi przedmiotami, jak i podczas przewrócenia si maszyny [11]. 3. Konstrukcja ochronna operatora ładowarki górniczej Przystpujc do projektowania konstrukcji ochronnej (kabiny) (rys. 2) operatora ładowarki górniczej załoono, e bdzie ona chroniła operatora przed spadajcymi przedmiotami oraz przypadkowymi obwałami skał ze stropu (FOPS). Rys.2. Konstrukcja ochronna operatora (kabina) ładowarki ŁBT-1200M [3] Wymaganiem był równie łatwy monta i demonta kabiny, z uwagi na zapewnienie moliwoci przejazdu maszyny przez niskie wyrobiska oraz mała masa własna. W wyniku prac analitycznych i projektowych opracowano model przestrzenny kabiny operatora składajcy si z rur nonych, poszycia górnego, poszycia dolnego oraz uebrowania umieszczonego pomidzy nimi. W dolnej czci rur nonych umiejscowiono elementy słuce do mocowania kabiny do konstrukcji ładowarki (rys. 3). Z uwagi fakt, e kabina jest dodatkowym elementem wyposaenia ładowarki, powinna charakteryzowa si zatem moliwie mał mas własn przy MASZYNY GÓRNICZE 1/2013 17
jednoczesnym spełnieniu warunków wytrzymałociowych stawianych konstrukcjom FOPS. Warunek ten spełniono poprzez odpowiednie ukształtowanie poszycia kabiny. Pomidzy poszyciem górnym i dolnym rozmieszczono promienicie ułoone, cienko- cienne blachy, tworzce uebrowanie none (rys. 4) o okrelonym kształcie. 4. Badania niszczce konstrukcji ochronnej operatora Wyprodukowan w ZM BUMAR ŁABDY S.A. kabin operatora, po zabudowaniu na ramie wsporczej, poddano badaniom niszczcym w celu weryfikacji wytrzymałociowej jej konstrukcji w zakresie wymaga FOPS. Badania niszczce przeprowadzono w firmie INOVA Centrum Innowacji Technicznych Sp. z o.o. na stanowisku badawczym, którego głównymi elementami były: dwig, obcinik oraz układ zwalniania obcinika (rys. 6). Rys.3. Model przestrzenny kabiny operatora [1] Rys.4. Uebrowanie umieszczone pomidzy poszyciem górnym i dolnym [1] Prace projektowe oraz obliczenia numeryczne pozwoliły na opracowanie dokumentacji technicznej oraz wykonanie prototypu (modelu fizycznego) konstrukcji ochronnej operatora (rys. 5), którego producentem s Zakłady Mechaniczne BUMAR ŁABDY S.A. Rys.6. Stanowisko do bada niszczcych konstrukcji ochronnych operatora [1] Procedura badawcza wymagała wykonania szeregu czynnoci pozwalajcych na porównanie wyników bada obiektu przed i po zniszczeniu. W tym celu dokonano pomiarów charakterystycznych punktów konstrukcji kabiny oraz wyznaczono miejsce uderzenia obcinika (rys. 7). Rys.5. Konstrukcja kabiny operatora przeznaczona do bada niszczcych [1] Rys. 7. Wyznaczanie miejsca uderzenia obcinika [1] 18 MASZYNY GÓRNICZE 1/2013
Do bada uyto obcinik o masie 520 kg, który po swobodnym spadku z wysokoci 2,3 m nad powierzchni poszycia górnego kabiny posiadał energi uderzenia równ 11,73 kj, czyli nieznacznie wysz ni wymaga tego norma (11,6 kj). Pod konstrukcj ochronn operatora umieszczono makiet przestrzeni DLV, która odwzorowywała przestrze zajmowan przez operatora maszyny (rys. 8). uszkodzeniu. Po bliszych ogldzinach stwierdzono, e na poszyciu dolnym powstał lad po jednym z eber nonych (rys. 11a). Przewaajc wikszo obcienia, pochodzcego od spadajcego obcinika, przejło poszycie górne oraz uebrowanie znajdujce si wewntrz konstrukcji ochronnej. Dokonane pomiary wykazały, e najwiksze odkształcenia poszycia górnego konstrukcji ochronnej znajdowały si w miejscu uderzenia obcinika i wynosiły 56 mm (rys. 11b). Rys. 8. Makieta przestrzeni DLV umieszczona pod konstrukcj ochronn operatora [1] Po zakoczeniu czynnoci przygotowawczych nastpiło odpalenie ładunku wybuchowego uruchamiajcego mechanizm zwalniania obcinika. Przebieg prowadzonych bada niszczcych rejestrowano za pomoc kamery video. Obcinik spadajc swobodnie, uderzył w poszycie konstrukcji ochronnej w wyznaczone wczeniej miejsce z dokładnoci do 20 mm, po czym odbił si i pozostał na poszyciu górnym (rys. 9). Rys.10. Odkształcenie poszycia górnego konstrukcji ochronnej [1] Rys.9. Efekt uderzenia obcinika w konstrukcj ochronn: a) wgniecenie poszycia górnego, b) obcinik na poszyciu górnym [1] W wyniku uderzenia odkształceniom uległo poszycie górne przedmiotowej konstrukcji ochronnej (rys. 10). Analiza efektów uderzenia obcinika wykazała, e wyznaczone przed zniszczeniem punkty charakterystyczne kabiny nie zmieniły swojego połoenia. Elementy none konstrukcji ochronnej (rury) nie uległy Rys.11. Deformacja: a) poszycia górnego, b) poszycia dolnego konstrukcji ochronnej operatora [1] MASZYNY GÓRNICZE 1/2013 19
Analiza nagrania video wykazała, e w wyniku uderzenia obcinika aden element konstrukcji ochronnej nie naruszył przestrzeni ochronnej DLV umieszczonej pod poszyciem dolnym. Przeprowadzone przez specjalistów z Centrum INOVA badania oraz analizy zniszcze powstałych w wyniku bada niszczcych były podstaw do wydania certyfikatu potwierdzajcego spełnienie wymaga bezpieczestwa konstrukcji ochronnej operatora ładowarki górniczej w zakresie FOPS. 5. Podsumowanie Konstrukcje ochronne maszyn górniczych, budowlanych, rolniczych itp. pełni istotn funkcj zapewnienia operatorom odpowiedniego poziomu bezpieczestwa biernego. W celu zwikszenia poziomu bezpieczestwa operatorów maszyn górniczych, producenci coraz czciej wyposaaj je w konstrukcje ochronne, które zabezpieczaj przed skutkami przewrócenia si oraz uderzenia przez opadajce przedmioty, w tym obwały skał stropowych. Samojezdne maszyny górnicze (SMG), wykorzystywane w technologii drenia wyrobisk chodnikowych technik strzelnicz, zgodnie z wymaganiami Dyrektywy Maszynowej, powinny umoliwia monta konstrukcji ochronnej. Wikszo producentów maszyn górniczych standardowo zabudowuje ju konstrukcje ochronne operatora. W ITG KOMAG projektujc konstrukcje ochronne operatora dla maszyn górniczych, doskonalone s metody ich weryfikacji wytrzymałociowej. Obecnie dziki nowoczesnemu oprogramowaniu inynierskiemu badania niszczce opracowanych konstrukcji ochronnych mona ograniczy do niezbdnego minimum. Proces projektowania weryfikowany na bieco obliczeniami numerycznymi, pozwala na obnienie kosztów procedury certyfikacji i dopuszczenia do pracy w podziemnych wyrobiskach górniczych konstrukcji ochronnych operatora. Takie podejcie umoliwiło pozytywn weryfikacj wytrzymałociow przedstawionej konstrukcji ochronnej operatora na drodze bada niszczcych [15, 16]. Przeprowadzone badania niszczce konstrukcji ochronnej wykazały, e przewaajca cz energii uderzenia została przejta przez poszycie górne i dolne oraz umieszczone pomidzy nimi uebrowanie. Zaproponowane cechy konstrukcyjne umoliwiły spełnienie wymaga stawianym konstrukcjom ochronnym zakresie FOPS. Pozytywne wyniki bada niszczcych konstrukcji ochronnej operatora ładowarki górniczej opracowanej w ITG KOMAG skutkowały wdroeniem w kopalniach wgla kamiennego. Literatura 1. Dokumentacja fotograficzna ITG KOMAG. 2. Dokumentacja techniczna nr W19.042.01 kabiny operatora. 3. Kalita M., Prostaski D.: Mechanizacja robót w kamiennych wyrobiskach górniczych. KOMTECH 2011, Innowacyjne techniki i technologie dla górnictwa. Bezpieczestwo - Efektywno - Niezawodno, Instytut Techniki Górniczej KOMAG, Gliwice 2011 s. 17-28. 4. Kalita M., Prostaski D., Wyrobek E.: Konstrukcje ochronne operatora przodkowych maszyn górniczych. Konferencja Innowacyjne i Bezpieczne Systemy Mechanizacyjne do Eksploatacji Surowców Mineralnych Zakopane 14-16.11.2006, Tom II, s. 27-36. 5. Karliski J., Rusiski E., Derlukiewicz D.: Numeryczna symulacja crash-testu konstrukcji ochronnych w maszynach górniczych, Przegld Mechaniczny nr 4/2007, str. 20-26. 6. Norma PN-EN 13510:2004 Maszyny do robót ziemnych. Konstrukcje chronice przy przewróceniu si maszyny. Wymagania i badania laboratoryjne. 7. Norma PN-EN ISO 3471:2009 Maszyny do robót ziemnych. Konstrukcje chronice przy przewróceniu si maszyny Badania laboratoryjne i wymagania techniczne. 8. Norma PN-EN ISO 134627:2002 Maszyny do robót ziemnych. Konstrukcje chronice przed spadajcymi przedmiotami. Wymagania i badania laboratoryjne. 9. Norma PN-EN ISO 3449:2009 Maszyny do robót ziemnych. Konstrukcje chronice sprzed spadajcymi przedmiotami. Wymagania i badania laboratoryjne. 10. Norma PN-92/G-59001 Samojezdne maszyny górnicze. Konstrukcje chronice operatora przed obwałami skał. Wymagania i badania. 11. Norma PN-ISO 3164:2009 Maszyny do robót ziemnych. Laboratoryjna ocena konstrukcji ochronnych operatora. Wymagania dotyczce przestrzeni chronionej. 12. Rusiski E., Karliski J.: Wybrane zagadnienia z numerycznych symulacji zniszczenia kabin ochronnych maszyn górniczych, Transport Przemysłowy nr 4(14)/2003, str. 31-35. 13. Rusiski E., Smolnicki T., Karliski J.: Badania symulacyjne bezpieczestwa kabin ochronnych maszyn górniczych, Przegld Mechaniczny nr 15/1998, str. 20-25. 14. Tokarczyk J.: Obliczenia dynamiczne MES konstrukcji chronicej operatora (FOPS), prace nie publikowane KOMAG 2006. 20 MASZYNY GÓRNICZE 1/2013
15. Winkler T., Bojara S., Tokarczyk J.: Use of reverse engineering method in verification of virtual prototypes. CAMES-Computer Assisted Mechanics and Enginiering Science Journal, Vol. 15 (2008) nr 1 s. 67-78. 16. Winkler T., Tokarczyk J.: Tworzenie wirtualnych prototypów maszyn górniczych. Prace Naukowe Monografie CMG KOMAG nr 23, Centrum Mechanizacji Górnictwa KOMAG, Gliwice 2007 s. 1-106. Artykuł wpłynł do redakcji w marcu 2013 r. MASZYNY GÓRNICZE 1/2013 21