VÝPOČET DYNAMICKÝCH VLASTNOSTÍ KOLESOVÉHO RYPADLA SchRs 1320/4x30. COMPUTATION OF DYNAMIC CHARACTERISTIC OF THE BUCKET WHEEL EXCAVATOR SchRs 1320/4x30

Transkript

1 VÝPOČET DYNAMICKÝCH VLASTNOSTÍ KOLESOVÉHO RYPADLA SchRs 130/x30 COMPUTATION OF DYNAMIC CHARACTERISTIC OF THE BUCKET WHEEL EXCAVATOR SchRs 130/x30 Autor: Ing. Jakub GOTTVALD, Ústav aplikované mechaniky Brno, s.r.o., Anotace Dynamické zatížení kolesových rypadel je dáno vlastní těžbou, čili interakcí dobývacího orgánu s těženou zeminou případně uhlím. Během kontinuálního procesu dobývání se mění charakter dobývání, tj. mění se poloha těžené lávky, tvar a rozměry třísky, případně se mění celý způsob těžby. Tyto změny mají vliv na změny dynamického zatížení kolesových rypadel a následné kmitání. Předkládaný článek se zabývá výpočtem dynamických vlastností kolesového rypadla SchRs 130/x30 v různých pozicích těžby. Annotation Dynamical loads of bucket wheel excavator are produced by mining, by interaction between bucket wheel and overburden or coal. Mining conditions continuously changes during mining process. Dimensions of mining blocks and sometimes the whole technique of mining are changed. These changes influence dynamical loads and consequent vibrations. This paper deals with computation of dynamic characteristics of bucket wheel excavator SchRs 130/x30 in various mining positions. Úvod Kolesová rypadla jsou stroje, které se používají v povrchovém dobývání nerostů k těžení nadložních zemin a samotných surovin. Jedná se o výjimečné konstrukce, které svojí velikostí předčí nemálo stavebních konstrukcí, ale zároveň plní funkci stroje, čili mechanismu. O těchto strojích lze prohlásit, že jsou to de facto gigantické půdní frézky. Ústav aplikované mechaniky Brno, s.r.o. je hlavním řešitelem projektu "FT-TA/08: Moderní trendy zvyšování spolehlivosti zařízení pro povrchovou těžbu užitkových nerostů."hlavním cílem projektu je vývoj systému na sledování únavového poškozování nejdůležitějších konstrukčních uzlů, které by včasným varováním zabránilo hrozícím poruchám, a zpřesnění podkladů pro návrh a provoz kolesových rypadel. Na žádost společnosti PRODECO a.s., která je taktéž jedním s řešitelů projektu, se daný výzkum soustředí na kolesové rypadlo SchRs 130/x30. Tento stroj byl provozovateli, kterým jsou Severočeské doly a.s., předán v roce 006. Tento stroj již os samotného zkušebního provozu pronásleduje řada problémů, které částečně plynou z nezkušenosti obsluhy daný stroj provozovat, ale i z řady konstrukčních chyb, viz například článek o problémech pohonu kolesa [15]. Projekt zahrnuje rozsáhlé měření dynamického zatížení konstrukce rypnými silami a sledováním odezvy stroje. Tato měření slouží k verifikaci numerických simulací, které jsou prováděny v programu ANSYS. Předkládaný článek zabývá výpočtem změn dynamických vlastností kolesového rypadla SchRs 130/x30 v různých pozicích těžby

2 Dobývací proces kolesových rypadel Celý technologický systém dobývání a způsob práce je u kolesových rypadel dán řadou pracovních pohybů, jak v horizontální, tak vertikální rovině a jejich vzájemnou kombinací. Jednotlivé pracovní pohyby lze rozdělit do dvou skupina na rozpojovací pohyby a výsuvné pohyby. Rozpojovací pohyb definuje tvar a rozměr dobývané třísky, vzniká složením tzv. hlavního a vedlejšího pohybu. Hlavní pohyb umožňuje vnikání řezné části rozpojovacího orgánu do horniny, jedná se o samotné otáčení kolesa. Vedlejší pohyb umožňuje plynulou změnu místa rozpojování v hornině, která je nutná k plynulosti pracovního procesu. Vedlejší pohyb dále dělíme na horizontální, který je dán otáčením horní stavby rypadla, a na vertikální, který zajišťuje spouštění či zvedání kolesového výložníku. Výsuvný pohyb umožňuje nastavení nové třísky řezné části rozpojovacího orgánu s horninou po odebírání třísky a nastavení nové tloušťky třísky. U strojů s výsuvným kolesovým výložníkem je realizována jejich výsunem, u ostatních je realizována pojezdem celého stroje. Tříska, dle typu kombinace výše zmíněných pohybů, může mít buď vertikální polohu, nebo horizontální. Vertikální tříska je nastavena vysunutím kolesa, jedná se o dobývání tzv. lávkováním, viz obrázek 1 a). Horizontální tříska je nastavena spouštěním kolesového výložníku, jedná se o dobývání tzv. spouštěním, viz obrázek 1 b). Obrázek 1: Typy třísek vytvářených kolesovým rypadlem a) vertikální tříska těžba lávkováním; b) horizontální tříska těžba spouštěním Působiště rypných sil se tedy mění dle metody dobývání, ale také se mění dle polohy těžené lávky. Z obrázku je zřejmé, že při těžbě v polohách minimálního a maximálního dosahu kolesového výložníku budou v záběru vždy jiné korečky. Na obrázku 3 je vykreslen horizontální dosah rypadla. - -

3 Obrázek : Výškový a hloubkový dosah kolesového výložníku Obrázek 3: Rotace horní stavby stroje Popis konstrukce kolesového rypadla SchRs 130/x30 Rypadlo SchRs 130/x30 je v provedení s nevýsuvným kolesovým výložníkem. Teoretický výkon rypadla je 5500 m 3.h -1 sypané zeminy. Průměr kolesa s korečky je 1,5 metru, počet korečku je 6 kusů, otáčky kolesa při 100% výkonu jsou 5,58 za minutu, šířka pásů metry, rychlost pásů 3,8 metru za sekundu. Rypadlo je vysoké bezmála 60 metrů a má provozní hmotnost 095,5 tuny. Hmotnosti jednotlivých částí rypadla jsou následující: nakládací vůz 570t, spojovací most 09t, samotné rypadlo 311,5t. Místo nasazení jsou Doly Nástup Tušimice. Celkový pohled na rypadlo je na obrázku. Obrázek : Kolesové rypadlo SchRs 130/x30 Popis výpočtových modelů V programu ANSYS byl vytvořen detailní výpočtový model kolesového rypadla SchRs 130/x30. Stroj byl modelován bez spojovacího mostu a nakládacího vozu. Geometrie vytvořeného modelu se skládá z 1170 bodů, 681 čar, 3379 ploch a

4 objemů. Výpočtový model je vytvořen pomocí prutových prvků LINK a BEAM, plošných prvků SCHELL, objemových prvků SOLID a pomocného prvku MASS. Celý výpočtový model se skládá z 008 prvků lokalizovaných 1995 uzly. Přehledný výpis použitých konečných prvků je uveden v tabulce 1, podrobněji [9], [10]. Tabulka 1: Konečné prvky použité ve výpočtovém modelu LINK10 BEAM SCHELL3 SOLID5 MASS1 Model rypadla je zhotoven velice podrobně. Spodní i horní stavba kolesového rypadla je převážně modelována pomocí plošných prvků. Při modelování byl kladen důraz na odpovídající vymodelování styčníků. V celém modelu je definováno přes dvacet různých tlouštěk plošných prvků. Pomocí prutových prvků BEAM byly modelovány různé typy ztužujících výztuh a menší prutové konstrukce, např. konstrukce kabiny. Celkový počet definovaných profilů je 75. Prutovými prvky LINK byly modelovány pevné závěsy výložníku, průměr lan 1mm, a lana zdvihu, jejichž průměr je 56mm. Objemovými prvky byly modelovány strojové části rozvoden a kolesová hřídel. Geometrie rypadla byla převzata z cca 00 výkresů. Hmotnost stroje byla doladěna dle aktualizovaného stabilitního výpočtu. Hmotnost byla laděna tak, aby neodpovídala jen samotná hmotnost jednotlivých konstrukčních celků, ale aby se i shodovala poloha těžiště horní stavby kolesového rypadla. Poloha těžiště pro ladění modelu byla převzata taktéž z aktualizovaného stabilitního výpočtu. Výpočtový model rypadla je vykreslen na obrázku 5. Obrázek 5: Výpočtový model rypadla SchRs 130/x30 - -

5 Výpočtový model byl modifikován do různých pracovních poloh dle obrázků a 3. Byly modelovány vždy tři polohy kolesového výložníku, dvě krajní polohy a poloha, kdy je výložník vodorovný. Otáčení horní stavby rypadla bylo modelováno jen v kladném směru po úsecích 30. Celkově tedy bylo vytvořeno 15 modelů. Příklady některý modelů jsou vykresleny na obrázcích 6 až 11. Obrázek 6: Natočení horní stavby 0, kolesový výložník dole Obrázek 7: Natočení horní stavby 0, kolesový výložník nahoře Obrázek 8: Natočení horní stavby 30, kolesový výložník rovně Obrázek 9: Natočení horní stavby 60, kolesový výložník rovně Obrázek 10: Natočení horní stavby 90, kolesový výložník rovně Obrázek 11: Natočení horní stavby 10, kolesový výložník rovně - 5 -

6 Vlastní frekvence a tvary kmitu Základem všech dynamických výpočtů a simulací je modální analýza. Z vlastních frekvencí a tvarů kmitu lze usuzovat, jak bude konstrukce citlivá na dynamické zatížení dané frekvence. Bylo počítáno prvních padesát vlastních frekvencí do cca 6Hz. K řešení byla použita metoda Block Lanczos Rozsah analýzy je dostatečný neboť první vlastní frekvence u rypadel tohoto konstrukčního typu se pohybují kolem hodnoty 0,6Hz. Výsledky pro základní polohu stroje jsou vypsány v tabulce. Tabulka : Vlastní frekvence kolesového rypadla SchRs130 Mode Frequency [Hz] Mode Frequency [Hz] Mode Frequency [Hz] Mode Frequency [Hz] Mode Frequency [Hz] Nejvíce dominantní frekvencí je první vlastní frekvence [11], jejíž tvar kmitu je vykreslena na obrázcích 1 a 13. Jedná se o rotační tvar kmitu, kdy se "kývá" horní část rypadla nad kulovým uložením. Obrázek 1: 1. vlastní tvar kmitu - posuvy ve směru osy Y Obrázek 13: 1. vlastní tvar kmitu - posuvy ve směru osy Z V dalším kroku byl zjišťován vliv polohy kolesového výložníku a natočení horní stavby rypadla na velikost vlastních frekvencí rypadla. Obdržené výsledky pro první vlastní frekvenci jsou graficky znázorněny na obrázku 1. Výsledky pro ostatní frekvence jsou obdobného charakteru

7 1. vlastní frekvence Hz Dole Nahoře Rovně Obrázek 1: Porovnání 1. vlastní frekvence v různých polohách stroje Z porovnání výsledků vyplývá, že během pracovního procesu stroje nedochází k žádným výrazným změnám hodnot vlastních frekvencí. Výpočet rezonančních křivek Jak již bylo popsáno, v závislosti na parametrech těžených lávek, způsobu dobývání zeminy, se mění působiště rypných sil. Působiště obvodové rypné sily [7] je v literatuře, respektive v normách popsáno velice rozmanitě. Česká norma ČSN [8] uvažuje v případě těžby lávkováním působiště obvodové rypné síly ve 3/ řezné dráhy korečku od začátku záběru a pro těžbu spouštěním v 1/ řezné dráhy korečku od začátku záběru. Německá norma DIN 61- [1] definuje obvodovou sílu jako sílu kolmou nebo rovnoběžnou k pojezdové pláni. Kolmá obvodová síla k pojezdové pláni představuje rýpání lávkováním a rovnoběžná rýpání spouštěním. Mezinárodní předpis F.E.M. [13] říká, že obvodová rypná síla se uvažuje jako síla působící v nejvíce nepříznivém bodě na řezné kružnici. Znalost polohy obvodové rypné síly kdy je stroj nejvíce respektive nejméně namáhán má význam nejen pro návrh stroje, ale i pro následné plánování těžby. Vhodným rozdělením těženého bloku na lávky lze minimalizovat namáhání stroje a zvýšit životnost. K této studii byla použita analýzy harmonického buzení, v ANSYSu nazývána jako harmonická analýza. Byla provedena deterministická citlivostní analýza, při které bylo zkoumáno, ve které pozici zatížení kolesa dochází k největším výchylkám. Citlivostní analýza byla provedena ve všech třech polohách kolesového výložníku pro natočení horní stavby 0. Na obrázcích 15 až 17 je uvedeno, jak byly jednotlivé korečky zahrnuté do analýzy číslovány. Rezonační křivky byly stanovovány pro pět vybraných míst. Jedná se o místa na špičce kolesového výložníku (nazváno: Koleso), v místě uchycení kolesového výložníku (Vyloznik), v na vrcholu šikmé vzpěry (Sikma), na vrcholu rovné vzpěry (Rovna) a na konci výložníku protizávaží (Proti). V článku jsou prezentovány výsledky pro místo na špičce kolesového výložníku. Budící síla byla pro transparentnost uvažována o velikosti 100kN, tato síla přibližně odpovídá nominální hodnotě. Frekvenční rozsah byl uvažován v rozmezí 0 až 5Hz. Uvažovaný poměrný útlum byl 5% [11]

8 Obrázek 15: Koleso v dolní poloze Obrázek 16: Koleso v rovné poloze Obrázek 17: Koleso v horní poloze Vypočtené rezonanční křivky, pro místo na špičce kolesového výložníku (Koleso), jsou vykresleny na obrázcích 18 až 0. Křivky jsou rozšířeny o třetí rozměr, který vyjadřuje pozici korečku dle obrázků 15 až 17. Aby výsledky pro všechny tři pozice kolesového výložníku byly porovnatelné, charakterizuje výsledná amplituda na uvedených 3D grafech vektorový součet amplitud ve směrech os y a z. Na obrázku 1 jsou pro porovnání vykresleny největší rezonanční vrcholy. Z výsledků lze konstatovat, že při zvednutém kolesovém výložníku lze volit vyšší lávku žeru než při spuštěném kolesovém výložníku. Při sníženém kolesovém výložníku je zatěžování kolesa těžbou nejnepříznivější Amplitude [m] Frequency [Hz] No. of bucket Amplitude [m] Frequency [Hz] No. of bucket Obrázek18: Rezonanční křivka -Koleso, poloha kolesového výložníku - nahoře Obrázek 19: Rezonanční křivka -Koleso, poloha kolesového výložníku - rovně - 8 -

9 Amplituda [m] Dole Rovne Nahore Amplitude [m] Frequency [Hz] No. of bucket Číslo korečku Obrázek 0: Rezonanční křivka -Koleso, poloha kolesového výložníku - dole Obrázek 1: Porovnaní rezonančních křivek Závěry Z předložených výsledků lze konstatovat, že hodnoty vlastních frekvencí se se změnou pracovní polohy kolesového výložníku a horní stavby rypadla výrazněji nemění. První vlastní frekvence má hodnotu 0,57Hz, jedná se o kývání horní stavby na kulovém uložení. Ze stanovených rezonančních křivek pro zatížení jednotlivých korečků a různé pracovní polohy kolesového výložníku lze říci, že nejnepříznivější pracovní poloha se nachází při těžbě spodních lávek. Vyplývá tedy, že výšky lávek těžených pod vodorovnou polohou kolesového výložníku by bylo vhodné volit o menší mocnosti respektive výšce. Všechny vyřčené předpoklady budou v rámci pokračování výzkumu verifikovány vhodným měřením přímo na stroji. PODĚKOVÁNÍ Článek vznikl za finanční podpory GAČR v rámci projektu č. 1003/08/075: "Citlivostní analýza faktorů ovlivňujících mezní stavy tenkostěnných konstrukcí" a MPO v rámci projektu "FT-TA/08: Moderní trendy zvyšování spolehlivosti zařízení pro povrchovou těžbu užitkových nerostů." LITERATURA [1] Vladimirov, V. M. a kol. Karyernyje rotornyje ekskavatory. Technika Kyjev, [] Dombrovskij, N. G. Mnogokovšovyje ekskavatory, Mašinostrojenie. Moskva, 197. [3] Pajer, G., Kurth, F., Pfeifer, M., Hojdar, J. Tagebaugroßgeräte und Universalbagger. Berlin, [] Durst, W., Vogt, W. Schaufelrad bagger. Clausthal-Zellerfeld, [5] Helebrant, F. Kolesová rýpadla. Ostrava, [6] Helebrant, F., Jurman, J., Fries, J. Kolesová rypadla a provozní spolehlivost. Ostrava, 007. [7] ČSN , Stroje pro povrchovou těžbu - Kolesová rýpadla a nakladače. Termíny a definice

10 [8] ČSN , leden Navrhování ocelových konstrukcí rypadel, nakladačů a zakladačů. [9] Theory reference for ANSYS and ANSYS Workbench 11.0, ANSYS Release ANSYS, Inc., January 007. [10] Element reference, ANSYS Release ANSYS, Inc., January 007. [11] Gottvald, J. FT-TA/018: Etapa a: Analýza měřených dat - Návrh měření a sběr dat. Brno: ÚAM Brno, 007. Arch. č. 18/07. [1] DIN 61-, 00, Excavators, spreaders and auxiliary equipment in opencast lignite mines - Part : Calculation principles [13] FEM.131/.13, 1997, Rules for the design of mobile equipment for continuous handling of bulk materials [1] Novák, D., Teplý, B., Vejvoda, S., Kala, Z., Gottvald, J. FT-TA/008 Verifikované postupy stanovení technického života dynamicky zatěžovaných konstrukcí, Etapa 6: Metodika pro stanovení trendu a úrovně únavového poškození materiálu; Etapa 8: Návrh postupu pravděpodobnostní analýzy a určení pravděpodobnosti poruchy a rizika, 8a) Matematický scénář dosažení mezního stavu únavové pevnosti, 8b) Matematický popis poškozování únavou při náhodném zatěžování, 8c) Randomizace scénáře dosažení mezního stavu, 8d) Postup určení rizika havárie. Brno: ÚAM Brno, 007. Arch. č. 079/07. [15] Krása, J Dynamika elektromechanické soustavy špičky rypadla SchRs 130. In Dynamicky namáhané konstrukce DYNA 008, Brno, 008, ISBN