Badania stateczności dźwignic. Stateczność dynamiczna żurawi

Politechnika Warszawska
Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych
Instytut Maszyn Roboczych Ciężkich
Laboratorium Dźwignic
Ćwiczenie D4
Badania stateczności dźwignic.
Stateczność dynamiczna żurawi wieżowych.
Wersja robocza
Tylko do użytku wewnętrznego SiMR PW
Opracowanie:
Dr inż. Artur Jankowiak
Warszawa 2010
Wszelkie prawa zastrzeżone
1
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zagadnieniami stateczności dynamicznej dźwignic
na przykładzie modelu żurawia wieżowego.
2. WPROWADZENIE
Pojęcie stateczności
Pojęcie stateczności wywodzi się z warunków równowagi bryły doskonale sztywnej,
swobodnie podpartej w polu grawitacyjnym. Przyjmuje się, że dźwignica jest stateczna, gdy
algebraiczna suma momentów ustalających jest większa od sumy momentów wywracających.
Dla badanego w ćwiczeniu modelu żurawia wieżowego jako momenty ustalające należy
przyjmować takie, które zwiększają reakcje podpór nieleżących na hipotetycznej krawędzi
wywrotu. Co oczywiste, momentami wywracającymi będą te, które zmniejszają wartość tych
reakcji. Wspomniane momenty należy obliczać uwzględniając obciążenia dźwignicy.
Wymienione krawędzie wywrotu są liniami, względem których następuje utrata
stateczności (w zależności od danego ustawienia żurawia). Zależnie od typu podwozia (lub
sposobu osadzenia) żurawia, krawędzie te przebiegają następująco:
- podwozie gąsienicowe – krawędziami wywrotu są osie pierwszej pary rolek jezdnych z
przodu i koła napędzającego z tyłu dla ustawienia wzdłużnego żurawia oraz osie symetrii
rolek jezdnych współpracujących z płytami gąsienicowymi przy ustawieniu poprzecznym,
- podwozie kołowe, praca bez podpór (jeżeli możliwa) – krawędziami wywrotu są
zarówno w ustawieniu wzdłużnym jak i poprzecznym osie symetrii kół,
- podwozie kołowe, praca z podporami – krawędzie wywrotu przebiegają w tym
przypadku przez środki nóg podporowych,
- podwozie (osadzenie) stałe – krawędzie przebiegają przez środki podpór stałych.
Rodzaje obciążeń
Poniżej wymieniono najczęściej występujące obciążenia dźwignic (niektóre z nich nie
występują w badanym modelu żurawia) [7, 8]:
- siła udźwigu – przyjmowana jako siła ciężkości masy równej udźwigowi powiększonej
o masy urządzeń ładunkowych niewliczanych do udźwigu,
- siły ciężkości elementów dźwignicy – określane na podstawie rzeczywistych mas
elementów lub zespołów dźwignicy,
- siły dynamiczne podnoszenia – siły występujące podczas rozpoczęcia podnoszenia lub
opuszczania ładunku związane zarówno z masą ładunku jak i masami elementów
dźwignicy,
- siły dynamiczne związane z nagłą utratą ładunku – uwzględniane w przypadku pracy
żurawia z chwytakiem lub chwytnikiem elektromagnetycznym lub pneumatycznym,
gdzie utrata części ładunku jest powszechnym zdarzeniem,
- siły dynamiczne ruchów torowych – skierowane pionowo, wywołane nierównościami
torów (np.: spawane styki szyn),
2
- siły bezwładności wywołane nieustalonymi ruchami jazdy – przykładowo rozruch i
hamowanie. Siły te są styczne do kierunku ruchu rozpatrywanej części dźwignicy i
ładunku,
- siły bezwładności styczne wywołane nieustalonymi ruchami obrotu lub wypadu –
średnie przyspieszenie lub opóźnienie części dźwignicy styczne do kierunku obrotu
(wypadu). W przypadku ładunku średnie przyspieszenie punktu jego zawieszenia,
- siły bezwładności odśrodkowe wywołane ustalonymi ruchami obrotu lub wypadu,
- siły poziome ruchów torowych – dzielące się na siły boczne (prostopadłe do kierunku
jazdy i działające w punktach styku obrzeży kół jezdnych z szynami) oraz siły wzdłużne
(równoległe do kierunku jazdy i działające w miejscach styku kół z szynami),
- obciążenie wiatrem – zależne od ciśnienia wiatru oraz wymiarów i kształtów elementów
konstrukcji dźwignicy i ładunku,
- obciążenie śniegiem, zmiany temperatury.
Obliczenia stateczności
Obliczenia stateczności wykonywane są dla kilku przypadków związanych z rodzajami
pracy dźwignicy. Zależnie od rodzaju dźwignicy właściwe są tu następujące normy:
PN-ISO 4304:1998 - „Dźwignice. Dźwignice inne niż żurawie samojezdne i pływające.
Podstawowe wymagania dotyczące stateczności”.
PN-ISO 4305:1998 - „Dźwignice. Żurawie samojezdne. Wyznaczanie stateczności”
PN-ISO 12485:2002 - „Dźwignice. Żurawie wieżowe. Wymagania dotyczące
stateczności”.
Ze względu na to, że w ćwiczeniu do dyspozycji pozostaje model żurawia wieżowego
przedstawione zostaną zasady obliczeniowego sprawdzenia stateczności zgodnie z normą PNISO 12485:2002. W obliczeniach uwzględnia się pięć przypadków w ramach dwóch stanów
pracy (roboczego i nieroboczego):
STAN ROBOCZY
I.
Stateczność podstawowa – w której oprócz sił ciężkości elementów uwzględnia
się siłę udźwigu (nominalną podaną przez wytwórcę) powiększoną o 60%,
II.
Stateczność dynamiczna – w której oprócz sił ciężkości elementów i siły udźwigu
(tu powiększona tylko o 35%) uwzględnia się również siły bezwładności lub siły
uderzenia w odboje oraz obciążenie wiatrem stanu roboczego,
III.
Stateczność przy nagłym zwolnieniu ładunku – tu oprócz sił ciężkości elementów
uwzględnia się obciążenie wiatrem oraz siłę udźwigu z przeciwnym znakiem i
pomniejszoną o 80%.
STAN NIEROBOCZY
IV.
Stateczność przy największym obciążeniu wiatrem – gdzie oprócz sił ciężkości
elementów (w tym urządzeń chwytnych) uwzględnia się tylko obciążenie wiatrem
stanu nieroboczego (z uwzględnieniem wpływu porywów wiatru) powiększone o
20%,
3
V.
Stateczność w czasie montażu i demontażu – tu oprócz sił ciężkości elementów
uwzględnia się obciążenie wiatrem stanu roboczego, siły bezwładności i siły
ciężkości urządzeń montowanych na czas montażu / demontażu.
Dla wszystkich przypadków uznaje się dźwignicę za stateczną, jeżeli suma momentów
ustalających jest większa od sumy momentów wywracających (do obliczeń momentów
uwzględniono powyższe zalecenia, co do kojarzenia obciążeń). Obliczenia należy
przeprowadzać dla najbardziej niekorzystnej krawędzi wywrotu.
Dodatkowo dla każdego z przypadków należy przyjąć do obliczeń najmniej korzystną
kombinację położenia dźwignicy i jej części oraz kierunki działania poszczególnych sił.
Przyjmuje się zasadę, że wszystkie obciążenia działają w sposób stały. Zasada ta dotyczy
również obciążeń o ewidentnie zmiennym pod względem kierunku czy wartości charakterze
(np. siły dynamiczne podnoszenia). Postępowanie takie jest postępowaniem konserwatywnym
(po bezpiecznej stronie). Ponadto, wszędzie tam, gdzie odkształcenia żurawia powodują
zwiększenie momentu wywracającego (momentu obciążającego kolumnę żurawia) należy to
uwzględnić. Wykonuje się to poprzez proporcjonalne zwiększenie wyznaczonych momentów
wywracających dla wszystkich sprawdzanych warunków.
Dodatkowo określa się stateczność nieobciążonej dźwignicy w stanie roboczym przy
wywracaniu do tyłu. Zakłada się tu, że wszystkie ruchome części dźwignicy są przesunięte
maksymalnie do tylnej krawędzi wywrotu. Zgodnie z PN-ISO 4304:1998 można dokonać
sprawdzenia metodą grawitacyjną – położenie rzutu środka ciężkości nieobciążonej i
nieruchomej dźwignicy przy braku obciążenia wiatrem powinno znajdować się w odległości
od krawędzi wywrotu nie mniejszej niż 20% odległości między tą krawędzią a przeciwległym
punktem podparcia.
Po obliczeniowym udowodnieniu stateczności na powyższych zasadach przeprowadza się
próby odbiorcze, które dla żurawi przewidują między innymi sprawdzenie stateczności (jak
również innych aspektów) w próbie statycznej pod obciążeniem wynoszącym 125% udźwigu
nominalnego.
3. WYKONANIE ĆWICZENIA
W ramach ćwiczenia badaniom poddany zostanie model żurawia wieżowego, którego
schemat przedstawiono na rys. 1. Model został zbudowany w taki sposób, aby dla badanych
położeń ładunku w polu pracy jedynym ograniczeniem dla udźwigu była stateczność żurawia
(osiągnięto to dzięki niewielkiemu rozstawowi podpór).
W ćwiczeniu znane są siły ciężkości elementów żurawia (przedstawiono je w tabeli 1).
Położenie środków ciężkości elementów dla ustawienia wysięgnika żurawia pod kątem 6°10’
przedstawia rysunek 1. Położenie sił G1, Q oraz G7 zależy od wychylenia wysięgnika. Ich
wartość przy innych położeniach wysięgnika można odczytać z wykresu znajdującego się na
stanowisku.
Układ pomiarowy składa się z dynamometrów eliptycznych (po jednym dla każdej z
podpór), wzmacniacza pomiarowego, karty pomiarowej i komputera z oprogramowaniem
pomiarowym. Układ pomiarowy pozwala wykonać zarówno pomiary jednorazowe (odczyt
chwilowej wartości siły nacisku podpór na podstawę) oraz ciągłe (rejestracja przebiegów
nacisków w czasie).
4
Rys. 1 – Model żurawia wieżowego
W ćwiczeniu badany będzie jeden z przypadków dynamicznych stateczności – stateczność
przy nagłym zwolnieniu ładunku. Przed wykonaniem ćwiczenia zaleca się zapoznanie z
normą PN-ISO 12485:2002. W celu wykonania ćwiczenia należy:
a) zmieniając ustawienie wysięgnika żurawia uzyskać wskazany przez prowadzącego
punkt pola pracy, zanotować wskazany przez prowadzącego udźwig żurawia,
b) podłączyć układ pomiarowy,
c) sprawdzić poprawność działania układu pomiarowego wykorzystując go do określenia
masy nieobciążonego żurawia (masa całkowita jest znana - suma elementów z tab. 1),
d) na podstawie równań równowagi względem krawędzi wywrotu dokonać
obliczeniowego sprawdzenia warunku stateczności (III przypadek – stateczność przy
5
e)
f)
g)
h)
i)
j)
nagłej utracie ładunku). W obliczeniach uwzględnić ugięcie sprężyn (ich stała
dostępna jest na stanowisku) w podporach żurawia. Obciążenie wiatrem pominąć.
obliczyć siły nacisku przednich (odciążanych w tym warunku) jak i tylnych podpór,
przejść do części pomiarowej ćwiczenia. Przygotować układ pomiarowy poprzez
ustawienie go na pomiar ciągły we wszystkich podporach,
umieścić na haku za pośrednictwem nitki lub cienkiego drutu ładunek o masie równej
udźwigowi nominalnemu,
uruchomić pomiar i z zachowaniem szczególnej ostrożności przeciąć nić uwalniając
ładunek, który wpadnie do przygotowanego uprzednio i umieszczonego tuż pod nim
pojemnika z piaskiem, żuraw powinien wejść w drgania,
zapisać pomiary, przeanalizować zachowanie się żurawia, w szczególności porównać
zarejestrowane przebiegi sił nacisku podpór z obliczeniami,
sporządzić sprawozdanie zawierające przeprowadzone obliczenia, wyniki pomiarów,
spostrzeżenia i wnioski.
Tab. 1. – Siły ciężkości elementów żurawia
L.p.
Element
Oznaczenie Ciężar [N]
X [mm]
Y [mm]
1
Wysięgnik
G1
66,7
1656
3696
2
Podstawa
G2
553
0
447
3
Wieża
G3
175
0
1835
4
Przeciwwaga
G4
106,3
-383
1345
5
Odciąg
G5
56
-146
3927
6
Olinowanie
G6
21,2
-146
3927
7
Zblocze
G7
25
3054
---
8
Balast ruchomy
G8
152,1
-476
1095
4. WYMAGANY ZAKRES WIADOMOŚCI OGÓLNYCH
- podstawowe pojęcia dotyczące drgań mechanicznych (amplituda, okres, częstotliwość,
częstość, częstość drgań własnych),
- przyczyny drgań – rodzaje wymuszeń drgań mechanicznych,
- pojęcie sztywności mechanicznej. Sztywności zastępcze układu sprężyn.
5. LITERATURA
1. Piątkiewicz, A., Sobolski, R., DŹWIGNICE, WNT, Warszawa, 1978.
2. Simbierowicz, P. (red), LABORATORIUM MASZYN ROBOCZYCH CIĘŻKICH,
WPW, Warszawa, 1980.
3. Kogan, I., WIEŻOWE ŻURAWIE BUDOWLANE, WNT, Warszawa, 1974.
4. PN-ISO 4304:1998 – Dźwignice inne niż żurawie samojezdne i pływające.
Podstawowe wymagania dotyczące stateczności.
5. PN-ISO 12485:2002 - „Dźwignice. Żurawie wieżowe. Wymagania dotyczące
stateczności”.
6. PN-ISO 4302-1998 – Dźwignice. Wyznaczanie obciążenia wiatrem.
7. PN-ISO 8686:1999 – Dźwignice. Zasady obliczania i kojarzenia obciążeń.
Postanowienia ogólne.
6
8. PN-ISO 8686:2002 – Dźwignice. Zasady obliczania i kojarzenia obciążeń. Cz. 3:
Żurawie wieżowe.
7