Zařízení na omezení příčení a příčivých účinků při excentrickém brzdění pojezdu jeřábu 1. Úvod Při pojezdu jeřábů po pojezdových kolejích dochází k jejich nežádoucímu příčení. To tření způsobuje přídavná zatížení, především ve vodorovném směru, která působí zpětně na jeřábovou dráhu. Stejný charakter zatížení vyvolává excentrické brzdění jeřábu s kočkou a břemenem polohovaném v krajní poloze dráhy kočky. Příčiny příčení a příčivých účinků při excentrickém brzdění pojezdu jeřábu jsou především tyto: 1) Rozdílný průměr hnacích kol. 2) Ne zcela přesné uložení hnacích kol pojezdu jeřábu ve směru svislém i vodorovném. 3) Rozdíl otáček hnacích kol pojezdu jeřábu. 4) Nesprávná poloha jeřábových kolejí ve svislém, ale především ve vodorovném směru. 5) Rozdílný stav drsnosti povrchu hlav kolejí jeřábových drah. 6) Kočka s břemenem je polohovaná ke krajní poloze pojezdové dráhy kočky. Tím dochází při excentrickém brzdění k předjetí více zatížené strany pojezdu jeřábu oproti druhé straně. Vzniká nežádoucí zatížení, obdobné účinkům od příčení, avšak velmi často s účinky podstatně vyššími (viz ČSN P ENV 1991-5. Při vyhodnocení je nutno v kombinaci uvažovat součet zatěžovacích stavů od excentrického účinku kočky s břemenem v krajní poloze při rozjíždění a brzdění s účinky od příčení.) 2. Vliv příčení a příčivých účinků při excentrickém brzdění na provoz jeřábů a popis zařízení na jejich omezení Výše uvedené příčiny příčení a příčivých účinků při excentrickém brzdění nutí projektanty jeřábů tento problém řešit. Snaze o snížení těchto přídavných zatížení od příčení a excentrického brzdění při pojezdu jeřábů je věnována v technické praxi značná pozornost. Byla vyvinuta celá řada zařízení pro snížení příčení při pojezdu jeřábů, jak mechanických, tak i elektrických, optických a kombinovaných. Dosažené výsledky těchto zařízení snižujících nepříznivé účinky od příčení a příčivých účinků při excentrickém brzdění však stále nejsou uspokojivé. Směr většiny řešení je veden k tomu, aby jeřáb v daném čase ujel na obou stranách pojezdu stejnou dráhu. Tato řešení vycházejí z toho, že usazení kol a geometrie pojezdových drah nevykazují žádné odchylky, což je v technické praxi nemožné a nereálné. Proto dochází při jízdě jeřábu k značnému přídavnému zatížení, které vyvolává nepřiměřeně rychlé opotřebení nejenom pojezdových kol, ale i pojezdových mechanismů a kolejí. Často tak dochází k přetěžování nejenom konstrukce jeřábu, ale i jeřábových drah a jejich uložení. Porovnáním normy ČSN 270103 pro navrhování jeřábů a nově navrhované normy ČSN P-ENV 1991-5 Zatížení jeřábových drah od jeřábů - Zásady zatížení a kombinací zatížení - Část 1, je zřejmé, že účinky od příčení a příčivých účinků při excentrickém brzdění jsou uvažovány (v ČSN P-ENV 1991-5 ) bereme-li v kombinaci součet zatížení od příčení a zatížení vlivem excentrického brzdění podstatně vyšší, což potvrzuje námi provedená měření, které jsme provedli od roku 1997 na dvanácti různých jeřábech. Oproti ČSN 27 0103 jsou účinky vlivem příčení nebo excentrického brzdění 1,5 až 2,5 krát vyšší než ČSN 270103 uvádí. Ve spolupráci s firmou TEMEX s.r.o., VŠB- Technickou univerzitou v Ostravě a ÚAM Brno jsme vyvinuli nový systém, snižující u oddělených pojezdových pohonů jeřábů vybavených frekvenčními měniči účinky od příčení a excentrického brzdění na minimum. V současné době vývoj a aplikační činnost tohoto systému rozvíjí mimo výše uvedených i Institut dopravy, Ústav výzkumu a zkušebnictví a katedra obecné elektrotechniky při VŠB-TU v Ostravě. Rovněž VÚT Brno katedra konstrukcí má o toto řešení zájem ve vztahu k jeřábovým drahám a jejich podpůrným
konstrukcím. Chráněné řešení, podrobně popsané v českém patentu č. 291108 z roku 2003, je založeno na tom principu, že na nosné konstrukci jeřábu jsou místa, kde poměrné deformace od příčení a od excentrického brzdění jsou hodnotově nejvyšší. Do těchto míst jsou umístěny mechanické zesilovače, které jsou, v místech nejvyšších poměrných deformací vyvozených příčením nebo excentrickým brzděním osazeny tenzometrickými snímači poměrných deformací. Jednotlivé tenzometrické snímače jsou zapojeny do speciálního řetězce tak, aby se naměřené hodnoty poměrných deformací od příčení nebo od excentrického brzdění sčítaly a ostatní zatížení, především zatížení symetrická aby se anulovala, což speciální tenzometrický řetězec spolehlivě vykonává. Tím získáváme výrazný signál signalizující začátek příčení nebo excentrického brzdění, který slouží jako informace pro zpětnovazební regulaci oddělených pohonů pojezdů jeřábů ovládaných frekvenčními měniči. Nepatrnou změnou otáček jedné strany pojezdu oproti druhé straně pojezdu, která je z hlediska polarity i velikosti určena signály z tenzometrického řetězce, se sníží příčení a excentrické brzdění na minimum. Velikost signálu z tenzometrického řetězce je výrazná, činí ± 0,3 mv/v a více. Při návrhu nových jeřábů využitím tohoto zařízení lze hodnoty od příčení a excentrického brzdění uvažovat 30% z hodnot uvedených v ČSN 270103. 3. Výhody navrhovaného řešení Instalováním tohoto zařízení je možno docílit: A) u nově instalovaných jeřábů: 1) snížení hmotnosti konstrukce jeřábu až o 5-10%, 2) snížení namáhání pojezdových pohonů o 15-20% 3) snížení spotřeby elektrické energie na pojezdových motorech o 5-10%, 4) snížení nároků na přesnost jeřábových drah, především ve vodorovné rovině, dle současně platné normy je předepsána max. hodnota zakřivení kolejnic v podélném směru na měřenou délku 20m min ±5 mm v jejich střední ose, ale využitím výše popsaného zařízení lze tuto zvýšit, 5) zmenšení rozvoru jeřábu a tím ušetřit na prostoru pro manipulaci. Jde o lepší dojezd ke štítovým stěnám a při sjetí dvou jeřábů o výrazně menší minimální vzdálenost mezi háky, 6) snížení účinků od příčení a excentrického brzdění jeřábů na pojezdové koleje a jejich nosníky včetně jejich podpěr, a tak omezit snížit i jejich hmotnost o 5-10%, 7) snížení účinků od příčení a excentrického brzdění jeřábů, umožní prodloužit životnost jeřábů i jeřábových drah a sníží nároky na jejich údržbu a rektifikaci pojezdových drah o cca 20-30%. B) u stávajících jeřábů: Výše uvedené výhody viz A2, A3, A4, A6 a A7 mimo A1 a A5. Toto zařízení na omezení příčení a excentrické brzdění bylo úspěšně odzkoušeno a ověřeno dvanáctiletým provozem ve VÍTKOVICÍCH HEAVY MACHINERY, a.s. kovárna Kunčice na dvou kovacích jeřábech nosnosti 330 t o rozpětí 30 m a hmotností 650 t, které obsluhují 12000 t lis. Dále bylo toto zařízení instalováno v roce 2001 na svitkovém teleskopickém jeřábu v drátovně ŽBD Bohumín, a.s. rekonstrukci pohonu pojezdu na mostový teleskopický jeřáb na dopravu svitků, jehož rozpětí je 28,5 m o hmotnosti 51 tun. Toto řešení jsme rovněž uplatnili v roce 2004 na portálovém jeřábu s drapákem o nosnosti 32 t, rozpětí 76,2 m a hmotnosti 750 t v ZÁPOROŽSTALU na Ukrajině. Naše zařízení bylo dále instalováno firmou TEMEX s.r.o. postupně na 15 t jeřábu fy. FERRO OK v PEGUFORM PLASTIC Nymburk. Další instalace tvoří dva 25 t jeřáby firmy NOPO Hradec Králové a dva 12,5 t rekonstruované jeřáby firmy VIHORLAT SNINA ve slévárně METALURGIE Rumburk. Dva jeřáby 6:3 t - 31,5m a čtyři 16 t a 28 m jeřáby firmy
FERRO-OK v novém provozu membránových stěn ve společnosti Vítkovice a.s. V tomto roce jsme toto zařízení realizovali na dvou stávajících jeřábech firmy FERRO-OK 20 t-22.9 m v automobilce FUTABA Havlíčkův Brod a na novém jedno-nosníkovém jeřábu 8 t v Hradci Králové. Toto zařízení jsme též realizovali na zakladači Z1200.č2 z roku 1963 o hmotnosti 250 t a rozpětí 48 m v TŽ Třinec. Výsledky získané z těchto aplikací výše popsaného zařízení jsou velmi dobré a myslíme si, že je důvod k propagaci těchto výsledků široké technické veřejnosti. Z provedeného porovnání různých mostových jeřábů o nosnosti od 5 t do 50 t, rozpětí od 10,5 m a 28,5 m je zřejmé, že nejvyššího snížení účinků od příčení a excentrického brzdění docílíme u jeřábů vyšší nosnosti, hmotnosti a větších rozpětí. V mnohých případech se toto řešení vyplatí i u jeřábů s nižší nosností a menšího rozpětí, pokud je vliv příčení rozhodující pro stavbu. Zde jde o vlivy působící na jeřábovou dráhu, její uložení, dále pak na jeřábové sloupy a jejich ukotvení. Obr. 1 Graf finančních úspor při použití zařízení pro omezení příčení Přílohy: A) Výsledky měření s využitím regulace dle patentu č. 291108 na jeřábu v ŽDB Bohumín, a.s., obr. 2) Jízda vzad pohyb kočky směrem od vrat obr. 3) Jízda vpřed pohyb kočky směrem od vrat B) Jeřáb 50 t x 28,5 m dle ČSN 27 0200, obr. 4) Posun příčníku ve směru kolejí o 65,6 mm, viz obr. 9, obr. 5) Posun příčníku kolmo na směr kolejí o 4 x ± 6,44 mm, viz obr. 10. C) Porovnání velikostí příčných sil od příčení a excentrického brzdění pro dvanáct jeřábů, od nosnosti 5 t do 50 t:
Příloha A: Obr. 2 Jízda vzad pohyb kočky směrem od vrat Obr. 3 Jízda vpřed pohyb kočky směrem od vrat
Příloha B: Obr. 4 Jeřáb 50 t x 28,5 m dle ČSN 27 0200 a posun příčníku ve směru kolejí Obr. 5 Jeřáb 50 t x 28,5 m dle ČSN 27 0200 a posun příčníku kolmo na směr kolejí
Příloha C: Obr. 6 Porovnání velikostí příčivých sil u 12 typů jeřábů
4. Příklady testování a provozního měření našeho zařízení na jeřábu 2 x 6,3t 31,5m ve Vítkovicích na výrobně membránových stěn U jeřábu bylo při příčivé síle Py = 7,2 kn docíleno průměrné součtové napětí připadající na dvě tenzometrické tyče 0,57 mv/v, což odpovídá při příčivé síle 8 kn podle ČSN270103 napětí na tenzometrických tyčí 0,63 mv/v. To odpovídá napětí v jedné tenzometrické tyči v místě snímačů napětí 0,63/2,6 = 0,243 mv/v to odpovídá 102 MPa. Na níže uvedeném záznamu byly zapojeny tenzometry připojeny na zesilovači Clip AE301 pro jednotlivé tenzometrické tyče spojené do měřícího můstku a souběžně bylo snímáno výstupní napětí z tenzometrického můstku [V] a příčivé síly na dynamometru v [N]. Při příčivé síle 6,3 kn bylo dosaženo součtové napětí z tenzometrických tyčí 8,7 V. Toto napětí odpovídá při příčivé síle 8 kn dle ČSN270103 součtovému napětí z tenzometrických tyčí 11 V. Obr. 7 Záznam z měření napětí a příčivých sil
Obr. 8 Záznam jízdy jeřábu bez regulace s nezatíženými kočkami Obr. 9 Záznam jízdy jeřábu s naší regulací při maximálním zatížení koček
Na obr.8, kde je zachycena jízda bez regulace s nezatíženými kočkami bylo dosaženo při prokluzu kol jeřábu příčivých účinků max. 3,6V. Při plně zatížených kočkách budou účinky ještě podstatně vyšší. Na obr.9 je zachycen průběh s naší regulací s plně zatíženými kočkami, kdy bylo dosaženo max. příčivých účinků naměřených 0,7 V. 5. Návod k obsluze a údržbě zařízení na omezení příčení pojezdu jeřábu Popis základní funkce zařízení pro omezení příčení jeřábů při jejich jízdě po jeřábové dráze. Obr. 10 Základní popis funkce zařízení pro omezení příčení jeřábu
Zařízení je sestavené z mechanických zesilovačů opatřených tenzometry. Mechanické zesilovače jsou umístěny v místech, kde jsou nejvyšší účinky od příčení. Tenzometry jsou zapojeny do měřicího můstku a výsledky změn napětí konstrukce od příčení jsou zesíleny v elektrickém zesilovači. Zesilovač je propojený s řídicím systémem pro zpětnovazebnou regulaci oddělených pojezdových pohonů řízených frekvenčními měniči. Tenzometrický můstek je napájen z měřícího zesilovače střídavým napětím 5V (2,5V). Výstupem z tenzometrického mostu je elektrický signál zesílený zesilovačem, který udává velikost napříčení konstrukce jeřábového mostu, kdy maximální příčivý účinek dle ČSN 270103 je převeden na hodnotu ±10 V. Měřící zesilovač je napájen napětím +15 až 26V. Signál ze zesilovače je zaveden do řídicího systému pro zpětnovazebnou regulaci. Zároveň je do řídicího systému přivedeno ovládání pojezdu mostu. Výstupem z řídicího systému je povel pro START frekvenčních měničů a příslušná analogová žádost rychlosti pojezdu. Každá strana jeřábu musí mít samostatný pohon řízený samostatným měničem. Na obr. 11 je zachycen detail tenzometrických tyčí umístěných v rohu jeřábu. Obr. 11 Detail tenzometrických tyčí pro snímání zatížení
Měřící zesilovač CLIP AE301 a jeho zapojení znázorněné na obr.12 Obr. 12 Měřící zesilovač CLIP AE301 Nastavení nulového bodu měřicího zesilovače CLIP AE301 Pro nastavení nulového bodu měřícího zesilovače musí být zapnutý hlavní jeřábový vypínač a musí být přivedeno napájecí napětí na měřicí zesilovač. Před měřením je nutno umístit kočku do středu mostu. Poté je nutno odbrzdit jeřáb. Při odbrzděných brzdách je nutno změřit stejnosměrným voltmetrem výstupní napětí na měřícím zesilovači na svorkách 9, 10. Naměřené napětí by mělo být v rozsahu + 0,3 V. Pokud je naměřená hodnota mimo rozsah +0,3 V ale menší než +1,5 V, provedeme korekci nuly na měřícím zesilovači pomocí potenciometru P21 eventuálně S23. Pokud je naměřená hodnota značně mimo toleranci, to je více než + 1,5 V, pak je nutno zkontrolovat symetrii tenzometrického mostu měřením odporů jednotlivých tenzometrů. Měření nulového bodu je nutno provádět minimálně jednou za půl roku nebo při každé výměně pojezdových kol a nebo pokud by došlo k výraznému zhoršení regulace příčení, které by se projevilo zvýšenou hlučností (pískot, vrzání) pojezdových kol mostu o kolejnice. Podrobné nastavení měřicího zesilovače najdeme v návodu k použití měřicího zesilovače. Na obr. 13 je znázorněné vnitřní zapojení měřicího zesilovače.
Obr. 13 Vnitřní zapojení měřícího zesilovače CLIP AE301 A. Kontrola funkčnosti měřicího zařízení Kontrola měřícího zařízení a jeho cejchování. Při tomto testu musí být zapnut hlavní jeřábový vypínač a musí být přivedeno napájecí napětí na měřicí zesilovač. Jeřábovou kočku umístíme do středu mostu. Odbrzdíme oba pojezdové pohony. Na jednu stranu koleje umístíme zarážku o kterou zapřeme řízený hydraulický zvedák pro simulaci příčení osovou silou ve směru pojezdu dle ČSN 270103. Druhou stranu pojezdu zablokujeme proti popojetí kolejovou zarážkou. Hydraulickým zvedákem vyvodíme příčivou sílu dle ČSN 270103. Na svorkách 9,10 měřícího zesilovače měříme voltmetrem výstupní stejnosměrné napětí. Pokud se měřená hodnota během příčení nemění, měřící systém příčení nefunguje a je nutno závadu zjistit a odstranit.
Pokud není naměřená hodnota stejnosměrného napětí na svorkách 9, 10 měřicího zesilovače po vyvození maximální příčivé síly hydraulickým zvedákem dle ČSN270103 na hodnotě 10 V, provedeme korekci potenciometrem P22 na hodnotu 10 V. Podrobný postup najdeme v návodu k použití měřicího zesilovače. Tento postup pak opakujeme dvakrát. Tím způsobem je mechanicky vyřešeno cejchování tenzometrické části zařízení. Kontrolu funkčnosti měřícího zařízení je nutno provádět jednou ročně nebo v případě jakékoliv poruchy, která může ovlivnit správnou funkci zařízení. Firma TEMEX s.r.o. je výhradním výrobcem tohoto zařízení a provádí mimo zaškolení obsluhy i odborný autorizovaný servis. Osoby oprávněné jednat po stránce technické: Ing. Václav Souček, tel. +420 732 517 706, email: vaclav.soucek@tiscali.cz Osoby oprávněné jednat po stránce obchodní a technické: Ing. David Zajíc, tel. 733 153 162, email: zajic@temex.cz Ing. Petr Děrgel, tel. +420 604 436 072, email: dergel@temex.cz Kontakt pro zajištění nepřetržitého záručního a pozáručního servisu tel.:+420 739 756 362 6. Závěr Z výše popsaného zařízení je zřejmé, že je možné tímto způsobem snížit přídavná zatížení od příčení a příčivých účinků excentrického brzdění na minimum. Tímto docílíme podstatně plynulejšího pojezdu jeřábu po jeřábové dráze. Umožní se průjezd jeřábu po dráze s větším souběžným zakřivením obou drah ve vodorovném směru než předepisují normy. Princip představeného zařízení je založen na jasně matematicky doložených vztazích. Nasazením tohoto zařízení prodloužíme podstatně životnost jeřábů i jejich drah. Poměrně snadným způsobem můžeme první část tohoto zařízení, od tenzometrických snímačů na mechanických zesilovačích zapojených do součtového řetězce, až po zesilovač těchto signálů využít pro diagnostické účely sledování příčivých jevů při pojezdu konkrétních jeřábů. Dvanáctiletá zkušenost s výše popsaným zařízením, nasazeným na silně zatížených jeřábech, nás jak pevně doufáme, zavazuje k jeho propagaci. Věříme, že nám tato prezentace umožní rozšířit povědomí o Zařízení na omezení příčení a příčivých účinků při excentrickém brzdění pojezdu jeřábu do povědomí širší technické veřejnosti, ať se jedná o výrobce jeřábů nebo jejich uživatele. 7. Použitá literatura [1] ČSN 27 0200 [2] ČSN 27 0103 Navrhování ocelových konstrukcí jeřábů. Výpočet podle mezních stavů. 1989. [3] ČSN P ENV 1991-5: Eurokód 1: Zásady navrhování a zatížení konstrukcí část 5: Zatížení od jeřábů a strojního vybavení. 1998.