Obciążenie ustroju nośnego suwnicy pomostowej.

1
INSTRUKCJA
Temat ć wiczenia laboratoryjnego
Obciążenia ustroju nośnego suwnicy pomostowej podczas jazdy
I. Wprowadzenie
Obcią żenia ustrojów nośnych suwnic są bardzo zróżnicowane co do rodzaju, źródła
pochodzenia, wielkości oraz charakteru, czę stości i czasu oddziaływania, co ma swoje odzwierciedlenie w ich klasyfikacji, mię dzy innymi według odpowiednich norm mię dzynarodowych ISO i europejskich EN z zakresu obliczania dźwignic.
Głównymi źródłami obcią żeń ustrojów nośnych suwnic pomostowych są :
- masy własne elementów i czę ści tych ustrojów (w tym także zmieniają cych i nie zmieniają cych swe położenie wzglę dem innych elementów i czę ści),
- 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,
- sprę żyste deformacje ustrojów nośnych wywołane odchyłkami ich wykonania i montażu oraz różnicami w charakterystykach napę dów równoległych (mieszczą cymi się w
granicach tolerancji wykonawczych),
- parcie wiatru.
W zależności od czę stości wystę powania i czasu oddziaływania, obcią żenia działają ce
na ustroje nośne suwnic pomostowych dzieli się na:
- obcią żenia regularne, które wystę pują w trakcie normalnej eksploatacji i są skutkami
działania grawitacji oraz przyśpieszeń i opóźnień w okresach rozruchów i hamowań ruchów roboczych suwnicy,
- obcią żenia nieregularne, które wystę pują 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,
- obcią żenia wyją tkowe, które wystę pują 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
Obcią żenia ustrojów nośnych suwnic, wystę pują ce podczas ich jazdy, kwalifikują się
do wszystkich wyżej wymienionych grup obcią żeń i należą do tych, których prawidłowe
określenie wartości ma szczególnie istotne znaczenie dla bezpiecznego zwymiarowania
wytrzymałościowego tych ustrojów, zwłaszcza charakteryzują cych się dużymi rozpię tościami (rozstawami szyn toru jezdnego) w stosunku do rozstawów kół jezdnych suwnic (na
każdej z szyn toru).
Wśród obcią żeń , istotniejszych dla wspomnianego bezpiecznego zwymiarowania wytrzymałościowego ustrojów nośnych suwnic, wystę pują cych podczas lub w nastę pstwie ich
jazdy wymienić należy:
- obcią żenia powodowane tzw. zukosowaniem suwnicy na torze jezdnym,
- obcią żenia powodowane przejazdami kół suwnicy przez nierówności na torze jezdnym,
- obcią żenia powodowane uderzeniem suwnicy w odboje lub zderzeniem z drugą suwnicą
na torze jezdnym.
Obcią żenia te, wystę pują ce nieregularnie i niejednocześnie, uwzglę dnia się obliczeniowo w tzw. koincydencyjnych układach skojarzonych obcią żeń , które jednocześnie działają c w płaszczyźnie poziomej i pionowej w różnych miejscach ustroju nośnego suwnicy
powodują jego określone wytę żenie 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 zewnę trznym objawem procesu tzw. ukosowania się suwnicy podczas jazdy, w którym jej ustrój nośny wykonuje wzglę dem torowiska obroty (w granicach luzów
mię dzy główkami szyn a obrzeżami kół jezdnych suwnicy) i jednocześnie odkształca się
sprę żyście w płaszczyźnie poziomej [1].
Działają ce w tej płaszczyźnie zewnę trzne obcią żenia ustroju nośnego jadą cej suwnicy
są równoważone przez siły w punktach styku główek szyn z bieżniami (siły sprzę żenia
ciernego) i obrzeżami kół lub bocznych rolek prowadzą cych (siły sprzę żenia kształtowego).
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 Fx1i, Fy1i, Fx2i, Fy2i, powstają ce na skutek obrotu ustroju wzglę dem tzw. chwilowego bieguna poślizgu (rys.1). Siły te równoważone są przez jedną , najwię kszą co do wartości, siłę prowadzą cą Fy , która wystę puje 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 wię kszą liczbą sił
prowadzą cych) jest najbardziej niekorzystnym dla ustroju nośnego suwnicy pod wzglę dem
wielkości jego poziomych obcią żeń .
Rys.1. Obcią żenia ustroju nośnego suwnicy wywołane jej zukosowaniem
4
Obliczeniowe wartości wymienionych sił wyznacza się według norm [2] i [3] w zależności od cech mechanizmu jazdy suwnicy (z centralnym lub indywidualnym napę dem) i
sposobu osadzenia kół (z możliwością poprzecznego przesuwu lub bez) oraz w zależności
od podstawowych stosunków wymiarowych ustroju nośnego suwnicy (rozpię tości pomostu
do rozstawu jego kół).
Wartość siły prowadzą cej Fy jest określona według wyżej wymienionych norm wzorem
Fy = υ⋅ f⋅ mg
(1)
natomiast wartości wspomnianych składowych sił od zukosowania suwnicy można wyznaczyć według tych norm z nastę pują cych zależności:
Fx1i = ξ1i⋅ f⋅ mg
(2)
Fy1i = υ1ι⋅ f⋅ mg
(3)
Fx2i = ξ2i⋅ f⋅ mg
(4)
Fy2i =υ2ι⋅ f⋅ mg
(5)
gdzie:
f – współczynnik 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 cię żkości całej suwnicy,
ξ1i, ξ2i – wartości parametrów zależnych od położenia chwilowego bieguna poślizgu (określonego przez µ’, µ, h - rys.1), rozpię tości l, liczby n par kół suwnicy i rodzaju
napę du jazdy (ξ1i = ξ1i = 0 dla mech. jazdy z indywidualnymi napę dami),
υ1ι, υ2ι - wartości parametrów zależnych od położenia chwilowego bieguna poślizgu (µ, µ,’
h), odległości di oraz od liczby n par kół suwnicy.
III. Metodyka pomiaró w wybranych obciążeń ustrojó w nośnych suwnic
W pomiarach wyżej wymienionych obcią żeń na obiektach rzeczywistych wykorzystuje się przede wszystkim metody tensometryczne, umożliwiają ce uzyskanie najdokładniejszych, w porównaniu z innymi możliwymi metodami, wyników pomiarów tych obcią żeń
przy spełnieniu odpowiednich niżej opisanych warunków przeprowadzania tych pomiarów.
5
Metodyka omawianych pomiarów jest oparta na wykorzystaniu jednoznacznych
(zwykle dają cych się ują ć analitycznie) zwią zków pomię dzy wskazaniami tensometrycznych punktów pomiarowych w wybranych miejscach ustrojów nośnych suwnic, a działają cymi na nie obcią żeniami. W tym sensie tensometryczne metody pomiarów obcią żeń
ustrojów nośnych suwnic są metodami pośrednimi, w praktyce jedynymi przydatnymi w
pomiarach tych obcią żeń (za wyją tkiem obcią żeń 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 obcią żeń 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 naprę żeń (odkształceń ) wywołanych działaniem mierzonych obcią żeń .
Wskazania tensometrycznych punktów pomiarowych, wyrażone w bezwymiarowych
jednostkach (zwykle w promilach), są liniowo zależne od odkształceń wzglę dnych εi zwią zanych z naprę żeniami normalnymi σi na powierzchni (płaski stan naprę żeń ) danego elementu ustroju nośnego, gdzie σi = εi E lub σi = εi E / (1 + ν ) (E – moduł Younga, ν współcz. Poissona). Wyznaczone w ten sposób wartości σi można wykorzystać do określenia wartości mierzonych obcią żeń Fi, na podstawie zależności Fi, = Fi,(σi), znanych np. z
wytrzymałości materiałów.
Najdokładniejsze wyniki pomiarów obcią żeń omawianą metodą tensometryczną zapewnia jednak przecechowanie wskazań ich tensometrycznych punktów pomiarowych w
jednostkach sił, zewnę trznie przykładanych do ustroju nośnego suwnicy w miejscach działania mierzonych obcią żeń . W wyniku bezpośredniego, doświadczalnego wyznaczenia zależności mię dzy 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 (mię dzy 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
Mierzone obcią żenia (siły prowadzą ce) FH1i , FH2i , 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 wystę pują ce przy ukosowaniu się suwnicy
podczas jazdy (ściślej składowe siły boczne Fy1i , Fy2i według rys 1).
IV.1. Lokalizacja tensometrycznych punktó w pomiarowych obciążeń FH1i , FH2i
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 SH1i , SH2i , których
momenty wzglę dem osi obrotu O górnego sworznia obejmy rolek (szczegół A na rys.2)
równoważą momenty wzglę dem tej osi pochodzą ce od mierzonych obcią żeń FH1i , FH2i.
Rys.2. Lokalizacja tensometrycznych punktów pomiarowych PTH1i, PTH2i wybranych obcią żeń poziomych FH1i , FH2i ustroju nośnego suwnicy
IV.2. Tensometryczny układ pomiarowy obciążeń poziomych FH1i , FH2i
Układ ten obejmuje 4 tensometryczne punkty pomiarowe PTH11, PTH12, PTH21, PTH22,
(sworznie pomiarowe obcią żeń poziomych ustroju nośnego suwnicy), z których każdy zawiera 4 tensometry czynne połą czone w pełny mostek Wheastone’a (rys.3).
7
Rys. 3. Schemat tensometrycznego punktu pomiarowego poziomych obcią żeń FH22
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 napię cie zasilania [V] (stałe lub zmienne – zależnie od rodzaju wzmacniacza pomiarowego), a z drugiej przeką tnej tego mostka jest odbierany napię ciowy sygnał pomiarowy [mV], który jest we wzmacniaczu pomiarowym odpowiednio
przetwarzany (m.in. wzmacniany i odfiltrowywany z zakłoceń ), a nastę pnie 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 obcią żeń . Podobną funkcję może spełniać wielokanałowy rejestrator z taśmą papierową .
Rys.4. Schemat tensometrycznego układu pomiarowego poziomych obcią żeń FH1i , FH2i
ustroju nośnego suwnicy pomostowej
8
Rys.4. Wyglą d rzeczywisty czujnika sił bocznych
IV.3. Podstawowe warunki przeprowadzania pomiaró w obciążeń FH1i , FH2i
Prawidłowość i dokładność pomiaru wyżej wymienionych obcią żeń ustroju nośnego
jest uzależniona przede wszystkim od:
- ustalenia i przyję cia właściwego poziomu zerowego sygnału pomiarowego dla tensometrycznych punktów pomiarowych PTH1i, PTH2i,
- doboru i ustawienia we wzmacniaczu pomiarowym odpowiedniego zakresu pomiarowego dla poszczególnych kanałów pomiarowych,
- przecechowania wskazań tensometrycznych punktów pomiarowych.
Aby spełnić powyższe warunki należy mię dzy innymi:
1) Wyznaczyć i ustawić w układzie pomiarowym zerowy poziom sygnałów pomiarowych
z punktów PTH1i, PTH2i, przy całkowicie odcią żonych 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 bę dą stykały się z bokami główek szyn toru jezdnego suwnicy. W przypadkach, w których nie jest możliwe uzyskanie takiego odcią żenia, „zero” sygnału pomiarowego dla każdego z punktów PTH1i,
PTH2i, 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 najczę ściej eksploatowanym odcinku torowiska suwnicy lub w pobliżu jego koń ców
i w pośrodku długości.
9
2) Przyją ć i ustawić na wszystkich kanałach pomiarowych jednakowe zakresy pomiarowe
wielkości tego samego rodzaju (tzn. jednakowe zakresy dla FH1i i FH2i) celem ułatwienia
późniejszej analizy wyników pomiarów. Wielkość zakresu pomiarowego powinna być
nieznacznie wię ksza od najwię kszej z maksymalnych wartości mierzonych obcią żeń
(wtedy wzmocnienie tensometrycznego sygnału pomiarowego jest możliwie jak najmniejsze, przez co zminimalizowany jest także wpływ zewnę trznych zakłóceń ).
3) Obcią żać 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 obcią żeń jaką można osią gną ć 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.
2.1. Ustalenie „zera” wskazań poszczególnych punktów pomiarowych (rolki prowadzą ce bez styku z bokami główek szyn).
2.2. Ustalenie zakresu pomiarowego na poszczególnych kanałach pomiarowych (próbne
przejazdy suwnicą ).
2.3. Cechowanie wskazań poszczególnych punktów pomiarowych (obcią żanie rolek siłami poziomymi o znanej wartości).
3. Pomiary obcią żeń FH1i i FH2i - rejestracja wskazań tensometrycznych punktów pomiarowych PTH1i, PTH2i
4. Analiza wyników pomiarów
4.1. Wyznaczenie wartości najwię kszej zmierzonej siły prowadzą cej.
4.2. 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.
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 PTH1i, PTH2i, do całkowitego zluzowania rolek prowadzą cych
można (oprócz sposobów opisanych w ustę p 1) p.IV.3) doprowadzić poprzez wymuszanie poprzecznego przesunię cia kół odcią żonej czołownicy tzn. gdy nieobcią żona
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 prę dkością . Najwię ksza z zarejestrowanych wartości wskazań z tensometrycznych punktów PTH1i, PTH2i, jest podstawą ustalenia wspomnianego zakresu pomiarowego.
Przy cechowaniu poszczególnych punktów pomiarowych, najwię ksze 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 bę dą 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 czę ść (w zakresie podpunktu 4.1.) jest wykonywana przez studentów w laboratorium bezpośrednio po zakoń czeniu pomiarów obcią żeń FH1i i FH2i , a pozostałe prace (w zakresie podpunktów 4.2, 4.3) są wykonywane
przez studentów indywidualnie po ćwiczeniu laboratoryjnym.
Najwię kszą co do bezwzglę dnej wartości zmierzoną siłę prowadzą cą FH1i lub FH2i należy znaleźć po przejrzeniu wszystkich przebiegów zmian wskazań tensometrycznych
punktów pomiarowych PTH1i, PTH2i, (zarejestrowanych na kanałach o tym samym zakresie pomiarowym).
11
Obliczeniową wartość siły prowadzą cej Fy według normy [2] lub [3] należy wyznaczyć korzystają c ze wzorów (1), (6), (7), (8) oraz nastę pują cych danych (rys.5):
l = 5,17m; ek = 1,25m; er = 1,58m; mg = 85kN; d1 = 0,165; d2 = 1,415m; n = 2;
p = 0; µ = 0,36; α = 0,15 rad
h=
d1 + d 2
d1 + d 2
υ = 1−
d1 + d 2
n•h
(7)
(8)
Rys.6. Schemat i dane suwnicy do obliczenia siły prowadzą cej według normy PN-ISO
Porównują c ekstremalne wartości zmierzonych sił prowadzą cych FH1i lub FH2i należy
sprawdzić istnienie zwią zku mię dzy kierunkiem jazdy suwnicy a wystę powaniem
najwię kszej siły prowadzą cej Fy na jednym z koń ców czołownic suwnicy (zgodnie z
rys.1). Nastę pnie należy porównać wartość najwię kszej zmierzonej siły FH1i lub FH2i
(uprzednio wyznaczoną w p.4.1) z wartością obliczeniowej siły Fy (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 8686-1:1999: Dźwignice. Zasady obliczania i kojarzenia obcią żeń . Postanowienia ogólne. Wydawnictwo Normalizacyjne 1999.
[3]. Norma EN 13001-2:2000: Cranes. General Design – Part 2: Load effects. CEN B-1050
Brussels.