Badania dynamiki wybranych urządzeń transportowych w dydaktyce

(1)

Edward M IC H LO W IC Z Janusz SZPY TK O Jerzy CH O D A C K I

BADANIA DYNAMIKI WYBRANYCH URZĄDZEŃ TRANSPORTOWYCH W DYDAKTYCE

Streszczenie. W artykule przedstawiono zintegrowane podejście do badań urządzenia transportow ego w fazach jego życia, w szczególności w procesie projektowania.

Sform ułow ano zadania oraz przedstawiono wspierające je narzędzia. Dla wybranych urządzeń transportow ych (suwnic, w ciągarek i przenośników ) opracowano algorytm y doboru i w eryfikacji elem entów struktury. Opracowane programy komputerowe do projektowania i badania dynam iki urządzeń i mechanizm ów są szczególnie przydatne w dydaktyce.

THE SELECTED MATERIAL HANDLING DEVICES DYNAMIC INVESTIGATION FOR DIDACTIC NEEDS

Sum m ary. The paper aim is an integrated approach (methods, tools) to the dynamics investigations o f the m aterial handling devices with special focus on the project device life phase.

1. WSTĘP

N ow e w ym agania stawiane przez modernizowany przem ysł w ym uszają przedsięwzięcia w zakresie kształtow ania jakości urządzeń transportow ych i przejm owania przez nie dodatkow ych funkcji wspierających proces technologiczny. Z kształtowaniem jakości urządzeń w iążą się zagadnienia badania ich dynamiki. W artykule uwagę skoncentrowano na suw nicach pom ostow ych, wciągarkach i przenośnikach.

W rezultacie analizy polskiego piśm iennictw a z ostatnich lat stwierdza się, że uwaga autorów badających dynam ikę suwnic (oraz wciągarek) koncentruje się między innymi na:

badaniu charakterystyk częstotliwościow ych układów m echanicznych o param etrach rozłożo

(2)

110 J. M ichlowicz, J. Szpytko, J. Chodacki

nych w sposób ciągły [3], m odelow aniu obciążeń urządzenia od bocznych sił poziom ych [7,14], sym ulacji sterow ania jazdy suwnicy z kom pensacją ukosow ania oraz centrowania m ostu w zględem osi jezdni [10,11], badaniach program ow anych układów sterow ania [16] i sym ulacji ich zastosow ania w m echanizm ie jazdy suwnicy dla dokładności pozycjonow ania ładunku oraz m ostu na torze [8], sym ulacji regulacji mocy hydrostatycznego napędu m echanizm u podnoszenia [2], dynam icznej ocenie sztyw ności suw nic bram ow ych na zukoso- w anie [7]. Syntezę stanu wiedzy i techniki w zakresie badań dźwignic przedstaw iono w pracy [15]. P roblem atyka przenośników cięgnow ych [6] i taśm ow ych [1] w aspekcie badań dyna

m icznych koncentruje się przede w szystkim na badaniach napędów i elem entów nośnych (taśm y, cięgna) [5,12].

D la potrzeb m odelow ania zjaw isk dynam icznych w w ybranych urządzeniach transportow ych budow ane są w ielom asowe złożone modele urządzeń. W praktyce inżynierskiej i dydaktyce w ielom asowe m odele urządzenia są trudne do w ykorzystania w badaniach ich dynam iki. Dlatego też wprow adza się odpow iednie współczynniki bezpieczeństw a, które uw zględniają stany nieustalone w ograniczonym zakresie. Modele urządzeń są budow ane dla potrzeb poznania lub rozw iązania określonego problem u i są rozłączne w rozum ieniu integracji etapów życia urządzenia.

W historii życia urządzenia technicznego w yróżnia się etapy:

1. w artościow anie, w którym następuje specyfikacja i identyfikacja potrzeb i oczekiwań klienta oraz m ożliw ości ich zaspokojenia poprzez urządzenie,

2. projektow anie, w którym kształtow ane są pożądane cechy urządzenia: przydatność, bezpieczeństw o, niezaw odność, dokładność, efektywność,

3. w ytw arzanie, w którym osiągane są w ym agane cechy urządzenia,

4. eksploatacja obejm ująca: użytkow anie i obsługiwanie oraz modernizację.

W yszczególnione etapy są najczęściej traktow ane rozłącznie, a przepływ inform acji jest utrudniony lub też nie m a zainteresow ania personelu zaangażow anego w poszczególne etapy życia urządzenia do współdziałania. Spełnienie życzeń użytkow nika w zakresie posiadania urządzenia technologicznego o cechach um ożliw iających realizację określonego procesu technologicznego je s t m ożliw e w rezultacie w spólnego w ysiłku i w spółdziałania personelu zaangażow anego w poszczególne etapy je g o życia (tabela 1).

(3)

Z integrow any system badań eksploatacyjnych urządzenia przedstaw iono w pracy [15].

System ten je s t przydatny w badaniach urządzeń ju ż eksploatowanych, a ponadto może być zastosow any na etapie w artościow ania i projektowania dow olnego urządzenia oraz być przydatny na etapie je g o wytwarzania. W artykule uw aga została skoncentrow ana na etap projektow ania urządzenia.

Tabela 1 Podstaw ow e etapy życia urządzenia i realizowane cele

Fazy życia urządzenia Cele

etap projektowanie otrzym ać produkt o w ym aganym poziomie jakości

etap w ytw arzanie osiągnąć w ym agany poziom jakości etap eksploatacja utrzym ać wym agany poziom jakości

2. IN TEG R A C JA BA D A Ń URZĄDZEN IA

N a etapie projektow ania w yróżnia się fazy: projektowania ogólnego i szczegółowego, kodow ania oraz testów. Zagadnienie integracji etapu projektowania było przedm iotem pracy [15]. W rezultacie przedsięw zięć na etapie projektowania:

- form ułuje się w ytyczne do w ytw orzenia i eksploatacji urządzenia,

- w eryfikuje się w ym agania użytkownika z poziom em jakości urządzenia m ożliw ym do osiągnięcia w w yniku doboru jego param etrów eksploatacyjnych i kom prom isu pomiędzy istniejącym i m ożliw ościam i technicznym i i kosztam i produkcji,

- form ułuje się zasady sterow ania parametrami eksploatacyjnym i urządzenia.

N a rysunku 1 przedstaw iono etapy projektowania urządzenia, w których sformułowano zadania oraz przedstaw iono narzędzia wspomagające. N arzędzia zaznaczone (*) zostały opracowane na potrzeby dydaktyczne (zajęć dla studentów na kierunku budow a i eksploatacja m aszyn) dla w ybranych urządzeń transportowych: suwnice, przenośniki, wciągarki [9,4],

(4)

O pracow ane dla suwnic, przenośników i wciągarek dydaktyczne program y kom puterowe (rysunek 2) um ożliw iają specyfikację elem entów struktury projektow anego urządzenia oraz ich w eryfikację zgodnie z odpow iednim algorytm em obliczeń (np. dla przenośnika taśm ow ego będzie to program PRZETAS). Dla m echanizm ów ruchu i konstrukcji w ybranych urządzeń opracow ano proste m odele um ożliw iające analizę zachow ania się napędów w stanach nieustalonych (rozruch i ham owanie) oraz analizę zjaw isk dynam icznych w m echanizm ach jazdy i podnoszenia wciągarki przejezdnej (program D Y N A M IK A ) [4],

ZADANIA NARZĘDZIA

| sformułowanie wymagań ilościowych i jakościowych (CAE(ORCHIS) )

specyfikacja:

elementów struktury

geometrii elementów struktury prezentacja elementów struktury

- CAE (GRID) - CAE (*) - CAD/ CAM

weryfikacja

prawidłowości doboru geometrii elementów struktury

- CAE (GRID) - CAE (♦)

budowa modelu

l konstrukcja _ mechanizmy ruch L sterowanie

CAE (SPEX) - CAE (*) - CAE (♦) - CADEPA testy

_ lokalne

---^

- CAE (*)

" integracyjne - CAE (MAXIM)

^ globalne - CAE (MAXIM)

R y s .l.E ta p p ro je k to w a n ia u rz ą d z e n ia : z a d a n ia i n a rz ę d z ia w sp o m a g a ją c e [15]

Fig. I . P ro je c t p h a s e o f a d e v ic e: a im s a n d su p p o rte d to o ls

3. PRO G R A M D Y N A M IK A

Podstaw ow ym zadaniem program u DYNAM IKA je st badanie i analiza zjawisk dynam icznych m echanizm ów podnoszenia i jazdy w ciągarki. Schem at algorytm u obliczeń program u D Y N A M IK A przedstaw iono na rysunku 3. Obliczenia poprzedza test ze znajom ości rozkładu sił (m om entów ) w zastosow anym m odelu m atem atycznym . W arunkiem przejścia do dalszych obliczeń je st pozytywne odw zorowanie obciążeń badanego mechanizm u.

(5)

Suw nice | Przenośniki

)

W ciągarki

!

^

I

Zespoły: Zespoły Zespoły:

- konstrukcja - konstrukcja - mechanizm jazdy

- mech. jazdy - napęd i podnoszenia

Programy: Programy: Programy:

- MOST SK - PRZETAS - JAZDA

- JAZDA_M - PRZEKUB - PODNO

Proste modele do spraw dzania zachow ania się napędów w stanach nieustalonych (rozruch, ham owanie)

Program DYNAMIKA

do analizy zjaw isk dynam icznych w m echanizm ach jazdy i podnoszenia wciągarki przejezdnej

R y s.2 . S c h e m a t b lo k o w y do p ro je k to w a n ia i b a d a n ia d y n a m ik i u rz ą d ze ń

F ig .2 . B lo c k s c h e m e o f p ro je c t p h a se a ctiv itie s and d y n a m ic in v e stig atio n o f the d ev ice

D anym i w ejściow ym i do badań są wyniki obliczeń projektowych mechanizmów w ciągarki. W yniki te m ogą być uzyskane poprzez obliczanie „odręczne” lub z w ykorzystaniem gotowych program ów kom puterowych JAZDA i PODNO. W pierwszej fazie obliczeń w yznaczane są wartości param etrów równań ruchu, uw zględniające rodzaj ruchu (rozruch, ham owanie) oraz dodatkowo kierunek ruchu (podnoszenie, opuszczanie), a także w artości początkowe dla każdej fazy ruchu. W obliczeniach uwzględniana je st ponadto struktura napędu (np. liczba stopni przełożenia reduktora, liczba gałęzi linowych). W zależności od zastosowanego sposobu obliczeń, uzyskane wyniki projektowania m ogą być w prowadzane do program u z klawiatury (obliczenia „odręczne”) lub przesyłane autom atycznie (obliczanie kom puterowe - wyniki zapisane w pliku). Kartę potrzebnych do obliczeń danych w ejściow ych przedstawiono na rysunku 4.

(6)

Program DYNAMIKA

- X *

l

- i < • ' * •

3 _____ ! L _ Test

spraw dzający znajomość rozkładu sił w m odelu

. E ~

/ W ynik pozytyw ny \

1

-^ W y b ó r m echanizm u

Mechanizm podnoszenia 1

- z program u PODNO - z klawiatury

Mechanizm jazdy

W prowadzanie danych:

- z program u JAZDA - z klaw iatury

O bliczenia num eryczne:

- stan rozruchu - stan ham ow ania

(przy opuszczaniu i przy podnoszeniu)

W yniki obliczeń:

- tabele, wykresy

O bliczenia numeryczne:

- stan rozruchu - stan ham owania

, , W yniki obliczeń:

tabele, wykresy

Analiza uzyskanych wyników oraz wnioskowanie:

■ utrzym anie param etrów wciągarki

■ zm iany w m echanizm ach (pow rót do JAZDA, PODN O ) I

R y s.3 . A lg o ry tm p ro g ra m u D Y N A M IK A F ig .3 . P ro g ra m m e D Y N A M IK A ty p e a lg o rith m

(7)

DANE DO OBLICZEŃ Mechanizm podnoszenia

Wielkości zadane:

Masa podnoszona mQ Wysokość podnoszenia H=...

Prędkość podnosz . vpod Luzy w linie 5=...

Wielkości dobrane i obliczone:

Zblocze - masa m Q 0 = . Przekładnia il.stop. k=...

Lina - średnica d l = . przełożenie 1-st. il=...

- przekrój f=. 2-st. i2=...

Wielokrążek-przeł.iw=. 3-st. i3=.. .

spraw. etaw=. sprawność jed.s t .etaz=...

spraw.ham.etawh=. spr.h a m .jed.s t . etazh=...

Bęben-średnica Db=. mom.bezwł.1-koła izl=...

mom.bezwładn. Ib=. 2-koła iz2=.. .

sprawność etab=. 3-koła iz3=...

spraw.ham. etabh=. 4-koła iz4=. . .

Silnik - moc P=. 5-koła iz5=.. .

obroty n s=. 6-koła iz6=. . .

mom.bezwł.w . Is=. Hamulec-mom.hamow. Mh=...

Sprzęgło przybęb .Isb=. Sprzęgło hamulców.Ish=...

Mechanizm jazdy Wielkości zadane:

Masa podnoszona m Q = . Wysokość podnoszenia H=...

Prędkość jazdy vj az=. Luz zred.na wał 5=...

Wielkości dobrane i obliczone:

Zblocze - masa m Q0=. Przekładnia

Masa wózka m w = . przełożenie i = ...

Opory jazdy W=. sprawność eta=...

Koła jezdne-średn.Dk=. sprawn.ham. etah=...

-masa m k = . Wał pędniany

Silnik - moc P=. średnica dw=...

- obroty ns=. długość Lw=...

- mom.bezwład . Is=. . . Sprzęgło sil.mom.bez.Isp=...

Hamulec-mom.ham. Mh=. wolnob.mom.bez. Ispl=...

-mom.bezwł . Ih=. wolnob.mom.bez . Isp2=...

R y s.4 . K a rta d a n y c h w e jśc io w y c h p ro g ra m u D Y N A M IK A F ig .4. In p u t d a ta c ard o f th e D Y N A M IK A ty p e p ro g ram m e

W kolejnych krokach algorytm u obliczeniow ego w yznaczane są wartości współrzędnych mas, ich prędkości oraz wartości siły (m omentu) w więzi dla poszczególnych faz ruchu.

Przejście do następnej fazy zaznaczane je st w program ie odpowiednim komunikatem.

U zyskane w yniki obliczeń są tablicowane i w yświetlane dla pierw szych 200 kroków (krok obliczeń ustalany je st w obliczeniach wstępnych z częstotliwości drgań w łasnych układu).

N astępnie sporządzane są wykresy przebiegu ruchu i zm ian siły (momentu) przenoszonej przez więź. Ponadto na osiach w ykresów zaznaczane są wartości ekstrem alnych obciążeń (m inim um , m aksim um ) więzi w badanym stanie nieustalonym . W ykresy m ogą być zapisane

(8)

jako plik w form acie PCX. Zaproponow any program integruje proces projektowania m echanizm ów w ciągarki i badania zachowania się zaprojektowanej wciągarki w stanach nieustalonych.

4. W NIOSKI

W artykule przedstaw iono zintegrow ane podejście do analizy urządzenia transportowego w fazach je g o życia, w szczególności w procesie projektowania. Sform ułow ano zadania w fazie projektow ania oraz przedstaw iono w spierające je narzędzia. D la suwnic, wciągarek i przenośników opracow ano algorytm y doboru i w eryfikacji elem entów struktury oraz proste modele um ożliw iające badanie dynam iki zaprojektow anych urządzeń i mechanizm ów.

Stw ierdzono, że proste m odele są przydatne w procesie dydaktycznym w zakresie kom puterowo w spom aganego projektow ania urządzeń transportow ych oraz ich weryfikacji w następstwie badań przeprow adzonych w m ożliw ych stanach nieustalonych. Bardziej rozbudow ane w ielom asow e m odele z pew nością przyczyniają się do dokładniejszego opisu zjaw isk dynam icznych. Jednakże w dydaktyce przy projektow aniu urządzeń utrudniają analizę i w nioskow anie.

LITER ATU RA

1. A ntoniak J.: O bliczenia przenośników taśm ow ych. Politechnika Śląska, Skrypty U czelniane, nr 1683, G liw ice 1992.

2. B ednarski S., C ink J., Tom czyk J,: Regulacja mocy w m echanizm ie podnoszenia dźw ignicy. M aszyny D źw igow o - Transportowe, 4, 1996, s.46-54.

3. Buchacz A., Pasek M.: H ipergrafy m acierzow e w m odelowaniu układów m echanicznych o param etrach rozłożonych w sposób ciągły. M ateriały IX Konferencji nt.: „Problem y rozw oju m aszyn roboczych”, i VIII K onferencji N aukow ej nt.: „Problem y w konstrukcji i eksploatacji m aszyn hutniczych i ceram icznych”, Zakopane 1996, z. II, s. 13-20.

4. C hodacki J„ M ichlow icz E „ Stupnicki S.: Kom puterowo w spom agane projektowanie w ciągarki suw nicy. Skrypt A GH, K raków 1998 (w druku).

(9)

5. G allina R.: D ecreasing tensions in a belt conveyor by using m ultiple-pulley drives. The International Journal o f Storing, Handling and Transporting Bulk, v.II, no 4, Nov.91, p .829 - 837.

6. G oździecki M.: Przenośniki cięgnowe do transportu pionowego m ateriałów sypkich.

PW N, W arszaw a 1990.

7. G rabowski E., Stefaruk W.: M etoda dynam iczna oceny sztywności na zukosowanie suw nic bram ow ych. D ozór Techniczny, 4, 1994, s. 78-79.

8. G rudziecki J., Kosucki A., M alenta P., Uciński J.: Analiza param etryczna modelu m echanizm u jazdy suwnicy sterowanej programowo. M ateriały X K onferencji Naukowej nt.: „P roblem y rozw oju m aszyn roboczych”, Zakopane 1997, z. 2, s.403-412.

9. M ichlow icz E.: Program y kom puterowe do projektowania urządzeń transportowych.

O pracow anie w ew nętrzne AGH, Kraków 1997.

10. N owak A.: Badanie dynam iki jazdy suwnicy pomostowej przy uwzględnieniu zjawiska odbicia. M aszyny D źwigowo - Transportow e, t. 2, 1996, s.5-14.

11. N ow ak A., W ojnarowski J.: M echatroniczny model ruchu sterowanego suwnicy pom ostow ej. X K onferencja N aukow a „Problem y rozwoju m aszyn roboczych, Zakopane styczeń 1997, Z 1, s. 193-200.

12. Spaans C.: The calculation o f the main resistance o f belt conveyors. The International Journal o f Storing, handling and Transporting Bulk, v.II, no 4, Nov. 1991, p. 809 - 826.

13.S zpytko J., M orel G., Lhoste P., M ayer F.: Integracja faz życia urządzenia. Mat. XI M iędzynarodow ego Sym pozjum nt.: Zastosow anie teorii system ów, Zakopane 1995.

14. Szpytko J.: M odelling and sim ulation methods o f large-size rails' material handling systems. M odelling, Identification & Control, IASTED ACTA PRESS no 196.

M .H .H am za ed., Zurich 1992, p.201-202.

15. Szpytko J.: Zintegrow any system nadzorow ania wybranych param etrów eksploatacyjnych w ielkogabarytow ych szynow ych urządzeń transportowych na przykładzie zautom atyzow anej suwnicy pomostowej. Uczelniane W ydawnictwa Naukowo- D ydaktyczne AGH, seria Rozprawy i M onografie, nr 46, Wyd. AGH, K raków 1996, ISSN 0867-6631.

16. U ciński J., G rudziecki J., M alenta P.: Badania stanowiskowe program ow ego układu sterow ania. D ozór Techniczny, t.2, 1996, s.25-27.

Recenzent: Dr hab.inż. Piotr Adamiec Prof.Pol¡techniki Śląskiej

(10)

A bstract

The paper aim is an integrated approach to the dynam ics investigations o f the material handling devices w ith special focus on the project device life phase. For the selected transport devices (e.g. cranes, conveyers) usefully methodology, tools and algorithm s supported activities under project phase have been presented. Authors also are proposing software tools supported project activities and dynam ic investigation o f devices and their m echanism s for engineering education needs.