Suwnice kolumnowe - studium przypadku

Celem niniejszego opracowania było wykazanie wpływu sztywnego prowadzenia ładunku na konstrukcję nośną mostu suwnicy, zużycie kół jezdnych, zużycie szyny jezdnej i zużycie klem mocujących szynę. Ważnym etapem pracy były badania suwnicy kolumnowej będącej w ciągłej eksploatacji. Wykazały one skutki pomijania w obliczeniach wytrzymałościowych konstrukcji nośnej obciążeń dynamicznych, powstałych w wyniku sztywnego prowadzenia ładunku.

W badanej suwnicy w wyniku pominięcia dynamicznych oddziaływań oraz zaniżenia rzeczywistej masy dźwignicy (wg producenta masa całkowita wynosi ok. 80t, natomiast rzeczywista ok. 98t) naciski maksymalne na koło, z uwzględnieniem dynamiki, wynoszą 31,9t, a nie 17,94t. Skutkiem tego koła mechanizmu jazdy suwnicy mają 4 –krotnie niższą żywotność niż podaje producent (M5, a nie jak podaje producent M7). Czynnikiem wpływającym na żywotność kół oprócz przekroczonych nacisków jest zrywanie przyczepności kół w kierunku prostopadłym do kierunku jazdy, w wyniku zbyt małej sztywności dźwigarów, co objawia się zmianą geometrii suwnicy (trapezowaniem). Trapezowanie powoduje powstanie sił bocznych działających prostopadle na główkę szyny jezdnej przy każdym rozruchu i hamowaniu. Sztywne prowadzenie ładunku negatywnie wpływa równieź na żywotność konstrukcji mostu suwnicy (skrócenie żywotności o 39%) oraz na wymiarowanie konstrukcji hali.

Identyfikacja i pomiary badanej suwnicy

Badania zostały przeprowadzone na suwnicy dwu-dźwigarowej kolumnowej z wózkiem obrotowym i trawersą magnetyczną, służącej do załadunku stali walcowanej na samochody.

Schemat przebadanej suwnicy został przedstawiony na rys.1. Niniejsza suwnica o rozpiętości L posiada wózek obrotowy i jest wyposażona w trawersę z magnesami, które służą do chwytania ładunku (paczki walcówki) oraz, w charakterystyczne dla tego typu urządzeń, sztywne prowadzenia ładunku na kolumnach. Kolumny stabilizują transportowany ładunek. Kabina operatora jest przejezdna, zamocowana pod wózkiem wciągarki (rys. 1). Te wszystkie cechy pomagają operatorowi obserwować i precyzyjnie ustawiać ładunek na samochodach ciężarowych. Warto również zwrócić uwagę na fakt, że producent podaje, iż maksymalny nacisk na koło jezdne suwnicy wynosi 176 kN.

Przebieg pomiarów

Pomiar polegał na zarejestrowaniu przebiegu ugięcia dźwigarów względem siebie w czasie, w zależności od położenia urządzeń pomiarowych (wymiar A na rys. 1). Dokonywany był podczas stanu nieustalonego (rozruch i hamowanie mostu suwnicy) pod obciążeniem Q oraz różnych pozycjach wózka suwnicy. Jeden cykl pomiarowy rejestrował 10 startów i 10 hamowań suwnicy i był dokonywany przy różnych wartościach przyspieszenia suwnicy.

Na rys. 2 przedstawione zostały wybrane przebiegi przemieszczenia w czasie. Warto zwrócić uwagę, że ustawieniu urządzeń pomiarowych A=0,65L – Pomiar 2 oprócz przemieszczenia pionowego wynoszącego ~17mm, występuje przemieszczenie poziome dochodzące do 18mm (linia czerwona).

Wymiarowanie suwnicy ze sztywnym prowadzeniem ładunku

Konstrukcja suwnicy jest stosunkowo prosta i w standardowych rozwiązaniach obciążenie ładunkiem jest przenoszone na wózek z wciągarką i kolejno jest przekazywane na konstrukcję mostu suwnicy. Suwnica ze sztywnym prowadzeniem ładunku znacząco różni się w sposobie wymiarowania od standardowych suwnic. „Wyjątkowość” tejże suwnicy wynika bezpośrednio z charakteru pracy. Oddziaływanie sztywnego prowadzenia ładunku – niesymetrycznego obciążenia przekazywanego na dźwigary pojawia się w stanie nieustalonym (przyśpieszanie i hamowanie) poprzez dociążenie jednego dźwigara a odciążenie drugiego.

Do wyznaczenia rzeczywistych wartości ugięcia dźwigarów posłużył model dynamiczny (przedstawiony na rys. 3.2). Największa wyznaczona wartość ugięcia dźwigara wynosi 59mm (w wyniku uwzględnienia sztywnego prowadzonego ładunku). Wartość ugięcia osiągana podczas przyśpieszania mostu suwnicy (37mm). Wynika z tego że wartość różnicy ugięcia dźwigarów wynosi 22mm – wartość zgodna z przeprowadzonymi pomiarami. Wartość ugięcia ma bezpośredni wpływ na trwałość zmęczeniową dźwigara jak i funkcjonowanie całej dźwignicy, dlatego tak ważne było wyznaczenie rzeczywistych ekstremów linii ugięcia dźwigarów.

Oznaczenia przyjęte na rys. 3 i rys. 4:

MA_dź – Masa dźwigara 1; MB_dź – Masa dźwigara 2; Q_n – obciążenie nominalne; Q_w – masa wózka suwnicy; Q_kab – masa kabiny; Q_tel – masa elementów sztywno prowadzących ładunek; a_S – przyśpieszenie mostu suwnicy; R_A, R_B – siły działające na określony dźwigar; h_r – wysokość podnoszenia; h_pmin – minimalna wysokość ładunku nad podłożem; h_kab – odległość kabiny od główki szyny; h_tel – odległość środka masy kolumny od główki szyny.

Wpływ sztywnego prowadzenia ładunku na konstrukcje mostu suwnicy

Brak uwzględnienia efektu sztywnego prowadzenia ładunku ma negatywny wpływ na konstrukcję nośną suwnicy, torowisko, jak i budynek, w którym pracuje suwnica. Powstające dynamiczne obciążenie, pochodzące od jazdy, może spowodować złą współpracą między szyną, a kołem suwnicy. Kolejnym negatywnym skutkiem jest skrócenie żywotności mostu suwnicy, mechanizmu jazdy suwnicy oraz całego torowiska. Poniżej zostaną przedstawione negatywne skutki bezpośrednio związane z suwnicą.

Współpraca kół suwnicy z szyną jezdną w suwnicach kolumnowych

Dobranie odpowiednich kół mechanizmu jazdy suwnicy ma istotny wpływ na poprawne funkcjonowanie suwnicy rozumianej jako całość. Złe dobranie kół mechanizmu jazdy suwnicy najczęściej charakteryzuje się zmniejszoną trwałością kół jazdy i szyny jezdnej podtorza.

Producent deklaruje, że siła największego nacisku wynosi 17,94t oraz że mechanizm mostu suwnicy zaszeregowany jest w grupie natężenia pracy M7, przy prędkości 110m/min i szerokości główki szyny równej 75mm.

Dobór w głównej mierze zależny jest od największej wartości siły oddziaływującej na koło oraz od prędkości jazdy suwnicy. Na rys. 5 przedstawiony został schemat rozmieszczenia sił oddziaływujących na podtorze suwnicy. Po uwzględnieniu efektu sztywnego prowadzenia ładunku największa wartość siły oddziaływującej na koło R12 wynosi 31,96t, co kwalifikuje koło do grupy natężenia pracy M5. Skutkuje to czterokrotnie niższą żywotnością kół niż deklarowana przez producenta. Większa wartość nacisków kół wpływa również negatywnie na statykę hali, w której znajduje się badana suwnica.

Wytrzymałość doraźna konstrukcji mostu suwnicy

Ze względu na szczególny typ obciążenia w punkcie 1 (rys. 6), sprawdza się stan naprężeń w dźwigarze z uwzględnieniem obciążenia pochodzącego bezpośrednio od koła:

• Odziaływania lokalne – są bezpośrednio powiązane z oddziaływaniem koła wózka suwnicy na konstrukcję nośną dźwigara (ścinanie spoiny przedstawionej na rys. 6,  jak i stateczności stójki przedstawionej na rys. 7). W tabeli 1 pokazane są oddziaływania wywołane kołem wózka (naprężenia zastępcze) z podziałem na obciążenia uwzględniające i nie uwzględniające efektu sztywnego prowadzenia ładunku.
  
  

Tabela 4 Naprężenia w punkcie 1

Jak wynika z tabeli 1 efekt sztywnego prowadzenia ładunku nie wpływa znacząco na wytrzymałość doraźną w punkcie 1. Inaczej sprawa wygląda z wykorzystaniem nośności stójki dźwigara. Wykorzystanie nośności stójki bez uwzględnienia sztywnego prowadzenia ładunku wynosi 61%, natomiast po uwzględnieniu sięga ona 80%. Co za tym idzie sztywne prowadzenie ładunku skutkuje zmniejszeniem współczynnika bezpieczeństwa konstrukcji .

Trwałość zmęczeniowa konstrukcji mostu suwnicy

Wyznaczenie trwałości zmęczeniowej zostało wykonane zgodnie z normą EN – 13001.
Zmęczenie materiału jest zjawiskiem obniżania jego nośności w wyniku wielokrotnych zmian obciążenia. Skutkiem zmęczenia materiału jest pękanie elementów konstrukcyjnych. Pękanie zmęczeniowe jest procesem, w którym można wyodrębnić kilka faz. Przy projektowaniu konstrukcji najważniejsze dla analizy zmęczeniowej są: inicjacja oraz stabilny wzrost pękania.

Do analizy wybrany został najbardziej newralgiczny punkt w dźwigarze, pokazany na rys. 6, w których zazwyczaj występuje inicjacja pęknięcia. Ze względu na brak pełnych danych na temat zastosowanych spoin w badanej suwnicy, oraz uwidocznienia powstającego problemu, poniżej analizowana spoina została dobrana w oparciu o zadeklarowaną grupę natężenia pracy przez producenta (grupa natężenia konstrukcji U9). Dobrana spoina została pokazane na rys. 6 (1 – spoina 1/2V).

Kompletny tok postępowania przy sprawdzaniu wytrzymałości konstrukcji pozostanie pominięty, przedstawione zostaną tylko wyniki zamieszczone w tabeli 2 dla punktu 1.

Tabela 2 Trwałość zmęczeniowa dla punktu 1

Na podstawie tabeli 2 można zauważyć, że nie uwzględnienie efektu sztywnego prowadzenia ładunku powoduje błędne zaszeregowanie konstrukcji dźwignicy i skrócenie jej żywotności aż o 39%.

Wpływ trapezowania suwnicy na statykę budowli

Jednym z kryteriów projektowania urządzeń dźwignicowych jest strzałka ugięcia dźwigarów (jest to stosunek wartości maksymalnego ugięcia do rozpiętości suwnicy). Wartość strzałki ugięcia zazwyczaj przyjmuje się poniżej 1/1000, lecz jej dokładna wartość zależy od charakteru pracy suwnicy, grupy natężenia pracy, itd. Duża wartość strzałki ugięcia może powodować niestabilne zachowanie konstrukcji mostu oraz tzw. trapezowanie suwnicy – zjawisko, które wywiera bardzo negatywny wpływ na statykę budowli.

W tabeli 3 zamieszczone zostały typowe wartości strzałki ugięcia dźwigara oraz wartość uzyskana dla omawianej suwnicy.

Tabela 3 Wartości ugięcia dźwigara, oraz strzałki ugięcia

Trapezowanie suwnicy jest to zjawisko towarzyszące małej sztywności dźwigarów, występujące w suwnicach kolumnowych. Polega ono na skróceniu rozpiętości dźwigara dociążonego oraz wydłużeniu rozpiętości dźwigara odciążonego. W wyniku następuje zmiana geometrii suwnicy oraz zmniejszenie wartości luzu pomiędzy kołem jezdnym suwnicy, a szyną.

Rys. 8 pokazuje zjawisko trapezowania suwnicy, gdzie p jest wartością zmniejszenia luzu pomiędzy szyną, a kołem jezdnym suwnicy. Wartość p równa jest 2mm (została wyznaczona przy przyspieszeniu suwnicy równym 0,229m/s2).
Trapezowanie suwnicy ma niekorzystny wpływ na współpracę pomiędzy kołem jezdnym mostu suwnicy, a szyną. W wyniku przesunięcia koła następuje zerwanie przyczepności w kierunku prostopadłym do kierunku jazdy oraz powstanie siły przyłożonej prostopadle do główki szyny o wartości Q_Pop = N_max x 0,2 = 6,27 kN. Skutkuje to skróceniem żywotności kół jezdnych. W przypadku, gdy luz jest mniejszy od przemieszczenia powstają siły statycznie niewyznaczalne. W przypadku, gdy z jednej strony koła znajdują się w przyporze do szyny, przemieszczenie z drugiej strony musi wynieść 2p.

Jeżeli przeanalizujemy obliczenia belki podsuwnicowej oraz dobór klem mocujących szynę, to okaże się że ani belka podtorza, ani szyna, ani klema nie były liczone na odziaływanie tak dużych  sił. Wywołuje to następujące skutki dla konstrukcji budowli:

• belka jest zbyt wiotka poprzecznie,
• belka jest za mała w stosunku do rzeczywistej siły pionowej,
• klemy są za małe, aby utrzymać bez szkody szynę jezdną pod naciskiem bocznym.

Autor artykułu, mgr inż. Przemysław Roguski, jest absolwentem wydziału SiMR Politechniki Warszawskiej.