Ocena sprzężenia ciernego dźwigu elektrycznego

Politechnika Warszawska
Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych
Instytut Maszyn Roboczych Ciężkich
Laboratorium Dźwignic
Ćwiczenie D5
Ocena sprzężenia ciernego dźwigu elektrycznego
Wersja robocza
Tylko do użytku wewnętrznego SiMR PW
Opracowanie:
Dr inż. Artur Jankowiak
Warszawa 2010
Wszelkie prawa zastrzeżone
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z zagadnieniami sprzężenia ciernego
w mechanizmach podnoszenia. W ćwiczeniu studenci dokonują oceny sprzężenia
ciernego na przykładzie modelu dźwigu elektrycznego.
2. WPROWADZENIE
Dźwigiem jest urządzenie podnoszące zainstalowane na stałe, obsługujące ustalone
poziomy, posiadające kabinę, która z racji swoich wymiarów i konstrukcji jest dostępna dla
ludzi. Urządzenie to porusza się przynajmniej częściowo pomiędzy prowadnicami
pionowymi lub takimi, których pochylenie w stosunku do pionu nie przekracza 15° [1].
Zgodnie z obowiązującymi przepisami dźwigi (zwane też popularnie windami) dzieli się
ze względu na rodzaj napędu na:
•
•
•
Dźwigi elektryczne (cierne)
Dźwigi hydrauliczne
Dźwigi towarowe małe z napędem elektrycznym i hydraulicznym
W dźwigach ciernych do wywołania ruchu kabiny wykorzystuje się siły przyczepności
pomiędzy cięgnem nośnym (liną) a kołem (tarczą) ciernym. Sprzężenie cierne jest
jednocześnie jedynym (nie licząc układów bezpieczeństwa działających w sytuacjach
awaryjnych) czynnikiem utrzymującym kabinę i przeciwwagę. Warunkiem uniknięcia
poślizgu i tym samym warunkiem prawidłowej pracy dźwigu jest przewaga wygenerowanych
sił tarcia nad siłami stycznymi na kole ciernym.
Podstawową zależnością umożliwiającą wyznaczenie dla danego układu maksymalnej
możliwej nierównomierności obciążenia po obu stronach koła ciernego (od kabiny i
przeciwwagi) jest wzór Eulera-Eytelweina:
S1
≤ e fα
S2
(1)
W nierówności powyższej S1 i S2 oznaczają siły w linach po obu stronach tarczy ciernej
(od strony kabiny i przeciwwagi) – przy czym w równaniu tym wstawia się te siły tak, aby
w liczniku była siła o większej a w mianowniku o mniejszej wartości. Po prawej stronie f
oznacza pozorny współczynnik tarcia, który jest funkcją współczynnika tarcia µ oraz
geometrii rowka oraz kąt opasania na kole ciernym α.
Znajomość wartości wyrazu efα pozwala na wyznaczenie – w zależności od
rozporządzanej siły S2 – maksymalnego udźwigu S1.
W obecnych przepisach bezpieczeństwa [3] wymaga się udowodnienia, że konstrukcja
dźwigu zapewni sprzężenie cierne w każdym przypadku uwzględniając:
•
•
•
normalną jazdę
załadunek kabiny
hamowanie wywołane zatrzymaniem awaryjnym
Ponadto należy zapewnić wystąpienie poślizgu, jeżeli kabina została zablokowana w
szybie z dowolnej przyczyny.
Analizowane przypadki i wykorzystywane w obliczeniach zależności przedstawia
tabela 1.
2
Tabela 1. – Analizowane przypadki w obliczeniach sprzężenia ciernego.
Obciążenie
Zależność Eulera
L.P.
Przypadek pracy
kabiny
-Eytelweina
125% Q
S1
≤ e fα
S2
2
Hamowanie wywołane zatrzymaniem
awaryjnym obciążonej kabiny w
strefie najniższego przystanku
100% Q
S1
≤ e fα
S2
3
Hamowanie wywołane zatrzymaniem
awaryjnym nieobciążonej kabiny w
strefie najwyższego przystanku
0
S2
≤ e fα
S1
4
Podciąganie pustej kabiny w górę
przy przeciwwadze całkowicie opartej
o zderzaki
0
S1
≥ e fα
S2
1
Załadunek kabiny na najniższym
przystanku
Współczynnik
tarcia µ (f=F(µ))
µ = 0.1
0 .1
v
1+
10
0 .1
µ=
v
1+
10
µ=
µ = 0.2
Opis oznaczeń: S1 – siła w linie po stronie kabiny, S2 – siła w linie po stronie przeciwwagi, f – pozorny
współczynnik tarcia, α – kąt opasania na kole ciernym, v – prędkość liny
Wspomniany pozorny współczynnik tarcia f jest funkcją współczynnika tarcia µ oraz
ukształtowania rowka linowego. W dźwigach stosowane są cztery rodzaje rowków:
• półokrągły
• półokrągły podcięty
• klinowy
• klinowy podcięty
Rowki linowe i ich oznaczenia przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1. – Rowki linowe: a) klinowy, b) półokrągły podcięty, c) półokrągły, d) klinowy podcięty
W nowych konstrukcjach rowków półokrągłych już się nie stosuje. Rowki klinowe
wymagają podcięcia wtedy, gdy nie zostały poddane procesowi utwardzania. Zapobiega to
spadkowi cierności w trakcie eksploatacji.
Widoczne na rysunku 1 kąty: kąt rowka γ oraz kąt podcięcia β wykonuje się w
zakresach:
- γ ≥ 25° dla rowków półokrągłych i półokrągłych podciętych
- γ ≥ 35° dla rowków klinowych i klinowych podciętych
- β ≤ 106° dla rowków półokrągłych podciętych
- β ≤ 106° dla rowków klinowych podciętych
W zależności od typu rowka pozorny współczynnik tarcia f można wyznaczyć
korzystając ze wzorów podanych w tabeli 2.
3
Tabela 2. – Pozorny współczynnik f w zależności od typu rowka linowego.
L.P.
Typ rowka
Przypadki pracy
1
Półokrągły i
półokrągły podcięty
Wszystkie
2
3
Klinowy
Współczynnik f
γ
β

4 ⋅  cos − sin 
2
2

f =µ⋅
π − β − γ − sin β + sin γ
f =
Wszystkie
sin
γ
2
β

4 ⋅ 1 − sin 
2
f =µ⋅ 
π − β − sin β
Załadunek kabiny,
hamowanie awaryjne,
normalna jazda
Klinowy podcięty
µ
f =
Zablokowanie kabiny
µ
sin
γ
2
Siły w przekrojach liny po obu stronach koła ciernego oblicza się na ogólnych zasadach
uwzględniając odpowiednio:
- masę kabiny,
- masę przeciwwagi,
- udźwig nominalny,
- masę lin nośnych,
- masę przewodów zwisowych,
- siłę tarcia na prowadnicach kabiny i przeciwwagi,
- zredukowaną masę koła odchylającego po stronie kabiny/przeciwwagi,
- przyśpieszenia / opóźnienia ruchu.
3. WYKONANIE ĆWICZENIA
W ćwiczeniu obliczeniowe oraz rzeczywiste sprawdzenie cierności układu linowego
dokonywane jest w oparciu o model dźwigu elektrycznego. Poniżej przedstawiono schemat
modelu dźwigu (rys. 2). Istotne dla przeprowadzenia ćwiczenia parametry dźwigu dostępne
są na stanowisku:
KOŁO
CIERNE
KOŁO
ODCHYLAJĄCE
2010
1400 - 1700
405
PRZECIWWAGA
KABINA
PODSTAWA
Rys. 2. – Schemat układu.
4
Przebieg ćwiczenia:
•
ogólne zadanie
- w ćwiczeniu należy dokonać obliczeniowej oceny cierności i potwierdzić jej
poprawność na stanowisku. W ramach obliczeniowego sprawdzania cierności
istnieje kilka możliwych zadań inżynierskich, sprawdzenie na modelu dźwigu
odbywa się zawsze w taki sam sposób – odzwierciedlający narzucone przez
przepisy przypadki pracy.
•
część obliczeniowa – możliwe zadania inżynierskie
1) dla zastanej sytuacji (określone wszystkie niezbędne parametry dźwigu)
przeprowadzić ocenę sprzężenia ciernego i zadecydować czy spełnione są
wszystkie wymagania (w szczególności czy istnieje ryzyko wystąpienia
poślizgu na kole ciernym).
2) dla określonych parametrów dźwigu (w szczególności udźwig, masa kabiny)
wyznaczyć zakres mas przeciwwagi, z którymi dźwig będzie pracował
prawidłowo (pod względem sprzężenia ciernego). Wytypować jeden z kilku
dostępnych na stanowisku obciążników do sprawdzenia.
3) dla określonych parametrów dźwigu (w szczególności masa kabiny i
przeciwwagi, udźwig) wyznaczyć zakres kąta opasania, w którym dźwig
będzie pracował prawidłowo (pod względem sprzężenia ciernego). Wytypować
jedno z kilku dostępnych na stanowisku osadzeń koła odchylającego do
sprawdzenia.
•
część praktyczna
- przed przystąpieniem do rzeczywistego sprawdzenia cierności sprawdzić, czy
stanowisko odpowiada pod względem kompletacji i ustawień sytuacji
obliczeniowej (szczególnie jest to istotne dla opisanych powyżej zadań 2 i 3),
- w pozycji wyjściowej do sprawdzenia cierności model powinien pozostawać w
takim położeniu, że przeciwwaga spoczywa na zderzakach a kabina jest
nieobciążona,
- w takiej pozycji możliwe jest sprawdzenie warunku odwrotnego – dźwig musi
stracić cierność – należy delikatnie obracać kołem ciernym (uprzednio
zwalniając hamulec) w kierunku, który odpowiada ruchowi kabiny w górę. Jeżeli
lina nie złapie poślizgu na kole ciernym i uderzy w strop szybu układ należy
uznać za dobrany niepoprawnie. Jeżeli lina ślizga się na kole ciernym można
przejść do kolejnej próby,
- następnie należy (cały czas bez obciążenia kabiny) wykonać ruch kabiną w dół,
do strefy dolnego przystanku a następnie do góry, gdzie w strefie górnego
przystanku uruchamia się hamulec. Jeżeli dźwig nie straci cierności wykonuje się
następną próbę,
- do kabiny trzeba włożyć obciążniki o łącznej masie równej udźwigowi
nominalnemu. Wykonać jazdę kabiny w dół, gdzie w strefie dolnego przystanku
należy uruchomić hamulec. Jeżeli dźwig nie straci cierności wykonuje się
następną próbę,
- ustawić kabinę na wysokości dolnego przystanku i ostrożnie dołożyć obciążenie
tak, aby osiągnąć łącznie 1,25 udźwigu nominalnego. Jeżeli dźwig nie straci
cierności oznacza to (przy pomyślnie przeprowadzonych poprzednich próbach),
że układ jest dobrany poprawnie.
5
4. WYMAGANY ZAKRES WIADOMOŚCI OGÓLNYCH
- znajomość zagadnień tarcia (ogólnie),
- znajomość ogólnej budowy dźwigów elektrycznych (ciernych),
-
podstawowe pojęcia dotyczące
współczynnik niewyrównoważenia),
dźwigów
ciernych
(współczynnik
udźwigu,
- znajomość zależności Eulera – Eytelweina.
5. LITERATURA
[1] Kwaśniewski, J., „Dźwigi osobowe i towarowe. Budowa i eksploatacja”, AGH,
Kraków, 2004.
[2] Piątkiewicz, A., Urbanowicz, H., „Dźwigi elektryczne”, WNT, Warszawa, 1972.
[3] PN-EN 81.1:2002 „Przepisy bezpieczeństwa dotyczące budowy i instalowania
dźwigów. Część 1: Dźwigi elektryczne”.
6
ZAŁĄCZNIK 1.
Dane:
Główne masy i wymiary dźwigu (modelu):
MK [kg]
zmienna
– masa kabiny (rama kabiny 2.46 + wyposażenie*)
MP [kg]
zmienna
– masa przeciwwagi (rama: 3.52kg + 0.96kg/1 obc.)
Q [kg]
zmienny
- udźwig nominalny
Hp [m]
zmienna
- wysokość podnoszenia
α [rad]
zmienny
- kąt opasania na kole ciernym
LTP [m]
0.405
- odległość pozioma osi kół ciernego odchylającego
HTP [m]
zmienna
- odległość pionowa osi kół ciernego i odchylającego
a [m/s2]
0.5
- opóźnienie hamowania - zatrzymanie awaryjne.
(Wartość przyśpieszenia wynika z wymogów PN-EN
81.1. Przyśpieszenia uzyskiwane na stanowisku nie
przekraczają 0.5 [m/s2])
* - stanowisko umożliwia zasymulowanie różnych mas wyposażenia kabiny (możliwe masy
wyposażenia dostępne na stanowisku).
Masy lin i przewodów zwisowych:
d [mm]
6.3
- średnica lin nośnych
mjl [kg/m]
0.13
- masa jednostkowa liny
mpz [kg/m]
brak
- masa jednostkowa przewodów zwisowych
MSRcar [kg] zmienna
- rzeczywista masa lin nośnych po stronie kabiny
MSRcwt [kg] zmienna
- rzeczywista masa lin nośn. po stronie przeciwwagi
MTRAV [kg] brak
- rzeczywista masa przewodów zwisowych
Koło cierne:
Dt [m]
Rowek:
β [°/rad]
γ [°/rad]
0.248
klinowy utw.
0°/0 rad
35
Koło odchylające:
mKO [kg]
0.420
DW [m]
0.205
DZ [m]
0.221
Dp [m]
0.211
JDP [kgm2]
0.0026
mDP [kg]
0.246
- średnica podziałowa koła ciernego
- typ rowka linowego
- kąt podcięcia rowka
- kąt rowka
- masa koła odchylającego
- średnica wewnętrzna (dna rowka linowego) koła
- średnica zewnętrzna koła odchylającego
- średnica podziałowa koła odchylającego
- moment bezwładności koła odchylającego
- masa zredukowana koła odchylającego
Prędkość (v) liny (tym samym kabiny) zależy od prędkości obracania kołem ciernym. W
przypadku swobodnego opadania (z kontrolą hamulca) kabiny lub przeciwwagi dla
warunków 2 i 3 cierności można przyjąć v = 0.5 [m/s]
7