Metoda oceny bezpieczeństwa pracy operatorów kolejki spągowej z zastoso-

waniem symulacji komputerowej

Analiza dynamiczna zachowania się ciała operatora kolejki górniczej w sytuacjach awaryjnych, jakimi są m.in. awaryjne hamowanie na upadzie lub zderzenie z przeszkodą znajdującą się na torowisku, moŜe skut-kować poprawą bezpieczeństwa pracy operatora. Za- proponowana metoda oceny bezpieczeństwa pracy

operatorów kolejki spągowej, z zastosowaniem symu- lacji komputerowej, moŜe być wykorzystana na etapie projektowym, jako metoda wspomagająca projekto- wanie postaci konstrukcyjnej kabin kolejek górniczych, ze względu na kryterium bezpieczeństwa. Zaprezen- towana metoda składa się z następujących etapów:

a) Budowa modelu geometrycznego kabiny. Model geo-metryczny (rys. 10) powstaje w czasie procesu kon-strukcyjnego. Z reguły jest to model parametryczny, wykonany w programie CAD. Model CAD kabiny wymaga uproszczenia i przygotowania, w celu utwo-rzenia na jego podstawie modelu numerycznego.

Polega to na scaleniu oraz usunięciu zbędnych szczegółów, mogących powodować powstanie błę- dów dyskretyzacji oraz wydłuŜenie czasu obliczeń.

Rys.10. Parametryczny model geometryczny kabiny kolejki spągowej CLS -120 [1]

a) b)

Rys.8. Model 3D trasy kolejki podwieszonej – transport obudowy zmechanizowanej [2]

Rys.9. Symulacja transportu obudowy zmechanizowanej modułowym zestawem nośnym [2]

b) Budowa modelu numerycznego kabiny. Na pod- stawie wcześniej przygotowanego modelu geome- trycznego tworzony jest model numeryczny kabiny, umoŜliwiający przeprowadzenie symulacji. Model numeryczny kabiny składa się z siatki elementów skończonych odwzorowujących przestrzeń we- wnątrz kabiny, w której znajduje się operator.

c) Opracowanie scenariuszy zdarzeń awaryjnych i niebezpiecznych. Scenariusze te zawierają opisy sytuacji stwarzających potencjalne zagroŜenia dla operatora. W zbiorze scenariuszy znajdują się takie zdarzenia jak: awaryjne hamowanie w czasie jazdy kolejki z pełnym obciąŜeniem na upadzie, hamowanie awaryjne kolejki podczas jazdy bez ładunku, kolizja kolejki z przeszkodą znajdującą się na torowisku. Opis zdarzeń niebezpiecznych oraz sytuacji awaryjnych uwzględnia wymagania prawne, takie jak maksymalna prędkość jazdy kolejki, maksymalna droga hamowania, a takŜe minimalne opóźnienie, jakie musi zostać osiągnię- te w czasie hamowania. W scenariuszach znaleźć moŜna takŜe informacje o stopniu nachylenia wyrobiska, po którym przemieszcza się kolejka oraz siłę, z jaką działa hamulec awaryjny itp.

d) Przeprowadzenie symulacji numerycznej zdarzeń awaryjnych i niebezpiecznych. Symulacje nume- ryczne przeprowadza się metodą układów wielo- członowych (MBS), w programie MSC.ADAMS. Do symulacji stosuje się parametryczny model geo- metryczny kabiny. Na podstawie opracowanych scenariuszy zdarzeń niebezpiecznych i awaryjnych przyjmuje się warunki początkowe (prędkość po- czątkowa, siły działające na kabinę) oraz warunki brzegowe (kontakt pomiędzy poszczególnymi mo- delami geometrycznymi) symulacji. W wyniku przeprowadzonych symulacji otrzymuje się prze- biegi czasowe przyspieszeń, prędkości oraz prze- mieszczeń kabiny, w czasie analizowanego zda- rzenia awaryjnego.

e) Wyznaczenie warunków początkowych i wartości początkowych przyspieszeń. Na podstawie prze- prowadzonych symulacji w programie MSC.ADAMS wyznacza się warunki początkowe przebiegów czasowych przyspieszeń, wykorzystanych w dal- szej analizie dynamicznej.

f) Budowa modelu cech antropometrycznych opera- tora. W programie MSC.Dytran tworzy się siatkę modelu ciała operatora, wraz z parametrami ma- sowymi oraz parametrami spręŜysto-tłumiącymi poszczególnych par kinematycznych. W czasie tworzenia siatki ciała operatora zdefiniowane mo- gą być takie wartości, jak: wzrost, masa oraz pozycja wyjściowa ciała operatora. Siatka ciała operatora, poprzez zmianę kąta w poszczególnych stawach, dopasowana zostaje do pozycji, jaką przyjmuje operator kolejki podczas pracy.

g) Przeprowadzenie symulacji numerycznej ruchu ciała operatora. Na podstawie danych wejściowych opisanych w punktach (a),(d),(e), w programie MSC.DYTRAN przeprowadza się symulację nume- ryczną zachowania się poszczególnych segmen- tów ciała operatora pod działaniem wymuszeń dynamicznych. Modelowi siatki ciała operatora nadaje się początkowe przyspieszenie uzyskane w symulacji przeprowadzonej w punkcie (c). W wy- niku symulacji otrzymuje się przemieszczenia wszystkich segmentów ciała operatora względem siebie oraz względem kabiny kolejki, oraz obcią- Ŝenia układu mięśniowo-szkieletowego operatora w czasie awaryjnego hamowania, co pokazano na rysunku 11.

h) Analiza wyników symulacji, ocena bezpieczeństwa operatora. Na podstawie przeprowadzonej symula- cji wykonuje się wykresy przedstawiające prze- biegi czasowe przyspieszenia, prędkości oraz przemieszczeń poszczególnych części ciała wzglę- dem kabiny oraz względem siebie (rys. 12). Mo-

Rys.11. Model ciała operatora ograniczony powierzchnią kabiny kolejki w środowisku programu MSC.Dytran [1]

Ŝliwe jest takŜe przedstawienie, w formie wykre- sów, sił działających na kaŜdy segment ciała ope- ratora. Identyfikuje się moŜliwość uderzenia głową lub inną częścią ciała operatora o element kabiny.

Podczas symulacji zderzenia uwzględnia się wy- padnięcie operatora z wnętrza kabiny. Na podsta- wie wyników symulacji określa się, które części ciała, i w jakim stopniu, naraŜone są na uraz dla wybranego scenariusza zdarzeń awaryjnych i nie- bezpiecznych.

Rys.12. Przebieg prędkości dla głowy operatora [1]

i) Opracowanie wniosków dotyczących bezpieczeń- stwa operatora. Znając moŜliwe sytuacje niebez- pieczne oraz zachowanie się poszczególnych ele- mentów struktury anatomicznej operatora w takiej sytuacji, w razie potrzeby modyfikuje się postać konstrukcyjną kabiny kolejki w taki sposób, aby zwiększyć bezpieczeństwo operatora. Zmiany te mogą uwzględnić takie modyfikacje jak: zwiększe- nie przestrzeni na nogi operatora, zmianę usta- wienia fotela operatora, zastosowanie pasów bez- pieczeństwa, zmianę nachylenia ścianek kabiny, zastosowanie w kabinie operatora materiałów hiperodkształcalnych (np. gumy).

5. Podsumowanie

W wyniku realizacji projektu badawczego MINTOS powstały prototypy narzędzi, które w znacznym stopniu przyczynią się do poprawy niezawodności oraz bezpie- czeństwa górniczego transportu kopalnianego.

System wspomagania obliczeń trakcyjnych oparty na repozytorium wiedzy udostępnianym na platformie internetowej, przeznaczony jest dla projektantów sys- temów transportu. Wspomaga on projektanta w trakcie procesu przeprowadzania obliczeń trakcyjnych oraz generuje raport końcowy z tych obliczeń. Jest czynni- kiem integrującym rozproszone środowisko projektan- tów, uŜytkowników systemów transportowych i produ- centów składników tych systemów. Zasoby wiedzy tworzone są przez kaŜdą z wymienionych grup i są udostępniane kaŜdej z nich.

W artykule przedstawiono przykład zastosowania programu AutoCAD do wspomagania weryfikacji trasy

kolejki podwieszonej pod kątem moŜliwości wystąpie- nia kolizji podczas transportu materiałów wielkogabary- towych. Przedstawiona metoda analizy kolizyjności na trasach kolejek podwieszonych moŜe równieŜ znaleźć zastosowanie dla ładunków transportowanych kolejka- mi spągowymi oraz w transporcie szynowym za pomo- cą lokomotyw.

Na przykładzie górniczej kolejki spągowej CLS-120 przedstawiono metodę oceny bezpieczeństwa pracy operatorów kolejki spągowej z zastosowaniem symula- cji komputerowej. Metoda przedstawiona w artykule ma charakter ogólny i moŜe być stosowana do określa- nia cech konstrukcyjnych szerokiej klasy rozwiązań środków transportu.

Prototypy narzędzi opracowane w projekcie MINTOS zostały pozytywnie ocenione przez pracowników Kom- panii Węglowej S.A., która brała udział w projekcie jako partner przemysłowy. Prototypy te są w chwili obecnej ciągle rozwijane, udoskonalane oraz przygotowywane do komercyjnego wdroŜenia na wybranych kopalniach.

Literatura

1. Instytut Techniki Górniczej KOMAG. Praca badaw- cza E/DLM – 10426/OR1: Procedura oceny roz- wiązań konstrukcyjnych górniczej kolejki spągowej w świetle kryteriów bezpieczeństwa na przykładzie kolejki CLS–120. Gliwice, 2009.

2. MINTOS: Improving Mining Transport Reliability.

RFCS Coal RTD Programme, Contract No.RCR-CT-2007-00003, 2007-2010.

3. REMASZ. Dokumentacja Techniczno – Ruchowa:

Wózek hamulcowy WHR-1. Ruda Śląska, 06.2007.

4. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higie- ny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycz- nego zabezpieczenia przeciwpoŜarowego w pod- ziemnych zakładach górniczych (Dz.U. Nr 139, poz. 1169 oraz z 2006 r. Nr 124, poz. 863).

5. Winkler T.: Organizacja zasobów wiedzy projekto- wej i eksploatacyjnej w cyklu Ŝycia maszyn i urzą- dzeń górniczych. Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk.

Materiały Szkoły Eksploatacji Podziemnej 2009.

Sympozja i Konferencje nr 74. Kraków 2009.

6. Winkler T., Chuchnowski W., Dudek M., Tokarczyk J., Szewerda K.: Narzędzia internetowe wspoma- gające weryfikację projektów transportu podziem- nego w świetle kryterium bezpieczeństwa. I Mię- dzynarodowa konferencja Problemy bezpieczeń- stwa w budowie i eksploatacji maszyn i urządzeń górnictwa podziemnego. Ustroń 2009.

Artykuł wpłynął do redakcji we wrześniu 2010 r.

Recenzent: prof.dr hab.inŜ. Adam Klich

Dr inŜ. Zbigniew SZKUDLAREK Instytut Techniki Górniczej KOMAG Mgr inŜ. Marek WITUŁA

CARBOMECH sp. z o.o.

Mgr inŜ. Piotr BOJARSKI

Kopalnia Węgla Kamiennego „Jas-Mos”

Urządzenia wspomagające bezpieczną jazdę ludzi