Naslov naloge: OPTIMIRANJE PROSTOVISEČEGA SEDEŽA JAMSKE SEDEŽNICE

Naročnik: Premogovnik Velenje
Mentor: prof.dr. Jože Flašker, Fakulteta za strojništvo Maribor
Komentor: dr. Miran Ulbin, Fakulteta za strojništvo Maribor
Komentor: Damijan Kanduti, univ.dipl.inž.str., Premogovnik Velenje

Jamska sedežnica služi v Premogovniku Velenje za prevoz delavcev do delovišč. V preteklosti so se pojavljali kot posledica utrujanja gradiva lomi visečih sedežev. V uporabi sta dva tipa sedežev in sicer starejši tip (1985) in novejši tip (1999). Z vidika varnosti je potrebno zagotoviti takšne sedeže, da do lomov ne bo več prihajalo. V diplomski nalogi je potrebno:

1. Opraviti numerično napetostno deformacijsko analizo starih in novih sedežev. Pri tem je potrebno analizirati dinamične obremenitve, ki vplivajo na utrujanje in to nadalje upoštevati pri napetostno deformacijski analizi.

2. Opraviti snovno in geometrijsko optimizacijo visečega sedeža tako, da dobimo optimalen sedež glede varnosti in stroškov.

VSEBINA

1.

Uvod

2.

Opis problema

3.

Teoretične osnove metode končnih elementov (MKE)

4.

Dinamična analiza gibanja prostovisečega sedeža

5.

Analiza obstoječih rešitev

6.

Optimiranje prostovisečega sedeža

7.

Zaključki

8.

Literatura

UVOD
Z jamsko sedežnico se v Premogovniku Velenje prevažajo rudarji na svoje delovno mesto. Po analizah v 80. letih je bilo namreč ugotovljeno, da je to glede na zahteve po zmogljivosti in varnosti najbolj primerna oblika transporta ljudi. V letu 1985 so v takratnem DO ESO po projektni nalogi Razvojno tehničnega sektorja REK Velenje za izdelavo rudarskega projekta "Prevoz ljudi in materiala po nagnjenih jamskih prostorih v posamezne jame oz. odkopna polja RLV" izdelali prostoviseče sedeže za prevoz rudarjev. Sčasoma pa so se vsled dinamičnim obremenitvam in utrujanju materiala pričeli pojavljati zlomi nosilcev sedežev, kar je imelo za posledico bolj ali manj nevarne padce. Z vidika varnega obratovanja je bilo torej potrebno ojačati konstrukcijo oz. jo primerno izboljšati. V 90. letih so ta problem zasilno odpravljali z navarjevanjem dodatnih ojačitvenih reber, v letu 1999 pa je nastala druga izvedba nosilcev sedeža (Kovinarstvo Sovič, Ravne nad Šoštanjem). Čeprav geometrijsko nespremenjena, a konstrukcijsko občutno ojačana (uporaba debelejše cevi nosilca sedeža), je ta izvedba prinesla razmeroma trajno rešitev. Edini večji problem je nastal pri povečani masi sedeža (za nekaj kg), zaradi česar rudarji novih sedežev kljub ustrezni varnosti niso najbolje sprejeli. Iz tega razloga je moja naloga v diplomskem delu s pomočjo modernih konstrukcijskih prijemov (CAD, napetostna deformacijska analiza, MKE, MRE...) analizirati in optimirati obstoječo rešitev prostovisečega sedeža jamske sedežnice.
Glede na to, da prihaja do kritičnih obremenitev in loma prostovisečih sedežev v krivini nosilca sedeža, se bom v fazi napetostno deformacijske analize in optimizacije osredotočil izključno na nosilec sedeža.

ZAKLJUČKI
Vsebina mojega dela je temeljila na analizi obstoječe rešitve prostovisečega sedeža jamske sedežnice. Na osnovi dostopnih podatkov iz dokumentacije Premogovnika Velenje, hitrega ročnega izračuna, ogleda sedežnice in pogovora z zaposlenimi je bilo jasno, da izvedba sedeža iz leta 1985 trdnostno ne izpolnjuje zahtev. Domneve o negativnem vplivu varjenja v kritične preseke cevi, neustrezni izbiri materiala (Č.1212), predvsem pa neupoštevanju dinamične obremenitve so se izkazale za upravičene z izvedbo napetostno deformacijske analize po metodi končnih elementov. Najvišje napetosti (smax = 418 MPa) se pojavijo v predelih varjenih spojev ter krivin in daleč presegajo mejo plastičnosti materiala (Rp 0,2 = 240 MPa). Zaradi delnega utrjevanja materiala ob prehodu iz elastične v plastično preoblikovanje in občasnih manjših obremenitev (vsi rudarji niso enako težki) do zloma ni prišlo takoj, temveč po večletni uporabi. Zlom nosilca sedeža te izvedbe (1985) je bil neizogiben.
Spremenjena različica prostovisečega sedeža v letu 1999 (v izvedbi Kovinarstva Sovič) je pridobila predvsem na varnosti, kar pa je bilo glede na staro izvedbo tudi osnovno vodilo pri spremembah. Žal pri tem postopku ni šlo za proces optimiranja v pravi smeri, temveč zgolj za geometrijsko in snovno nespremenjen, konstrukcijsko ojačan izdelek. Z uporabo materiala enakih trdnostih lastnosti (St 35.4) ter s povečanjem premera in debeline nosilne cevi je bilo zadoščeno varnosti, zato pa se je precej povečala skupna masa sedeža. Ostalo je tudi eno ojačitveno rebro (prej dva) ter vsa ostala varjena mesta na kritičnih presekih (držalo za noge). Napetostno deformacijska analiza je sicer pokazala najvišje napetosti v mejah dopustnih (Rp0,2 = 240 MPa > smax = 234 MPa), vendar je iz grafične predstavitve rezultatov razvidno, da nekatera kritična mesta ostajajo nespremenjena oz. na istih lokacijah. To so zlasti mesta varjenih spojev v kritičnih presekih ter mesta krivljenja cevi. Možno je napovedati, da bi bila ta izvedba sedeža (1999) tudi dolgoročno sprejemljiva, saj je, čeprav rahlo predimenzionirana, konstrukcijsko in trdnostno ustrezna.
V iskanju optimalne rešitve sem se na osnovi predhodno opravljenih analiz obstoječih rešitev odločil za dve poglavitni spremembi. Zaradi narave delovanja sedežnice in uporabe sedežev v premogovniku (dodatne dinamične obremenitve) sem se odločil za trdnostno močnejše jeklo St 52.3 (namesto St 35.4). Na področju geometrije pa je glavna sprememba pritrditev in oblika držala za noge. Hkrati sem za celotni nosilec sedeža uporabil tanjšo brezšivno jekleno cev konstantnega preseka in s tem dosegel zmanjšanje mase. Ker sem za osnovni material nosilca sedeža izbral trdnostno močnejše jeklo, sem lahko izvedel konstrukcijo sedeža brez ojačitvenih reber. Na ta način ne pride do vnosa toplote s postopkom varjenja ojačitvemih reber v kritične preseke cevi, kar je ugodno. Edini vnos toplote se zgodi pri varjenju držala za noge, vendar na spodnjo stran cevi, ki z vidika trdnosti ni kritična.
MKE analiza optimirane rešitve je bila opravljena z enakimi pogoji in parametri kot v primeru analize obstoječih rešitev. Rezultati so pokazali, da najvišje primerjalne napetosti po von Misesu ne presegajo meje plastičnosti materiala (Rp0,2 = 355 MPa >> smax = 299 MPa) in da konstrukcija ni sporna. Izločitev postopka varjenja in geometrijska sprememba držala za noge se je pokazala za dobro, saj na teh mestih napetosti ne presežejo 100 MPa. Na ta način sem izločil praktično vsa kritična mesta, ki so prej predstavljala problem v smislu prekoračitve meje plastičnosti in posledično zlom. Do največjih napetostnih polj prihaja v področju zgornje krivine, ki ostaja edino kritično mesto (glede na prejšnje rešitve). Tu se napetosti gibljejo nad 200 MPa, vendar ostajajo daleč pod dopustnimi.

Opozoriti velja, da so bile vse napetostno deformacijske analize opravljene s precej visoko obremenitvijo F = 1400 N, kar daje rezultate s precejšnjo varnostjo.

IZVEDBA SEDEŽA

1985

1999

2000

MREŽA

 

 

 

Število elementov mreže

13165

11276

13122

Število vozlišč

26402

22632

26221

ROBNI POGOJI

 

 

 

Obremenitev

F = 1400 N

F = 1400 N

F = 1400 N

Vpetje

nepomično

nepomično

nepomično

REZULTATI

 

 

 

Največji pomik

106 mm

41 mm

88,3 mm

Napetosti po Misesu

smax = 409 MPa

smax = 234 MPa

smax = 299 MPa

Kritična mesta

krivine, varjeni spoji

krivine, varjeni spoji

zgornja krivina

Zaradi kontrole in verodostojnosti dobljenih rezultatov sem opravil nekaj analiz tudi z drugim programskim paketom in sicer MSC Nastran, ki deluje na Microsoft Windows 98 platformi. Ob kreiranju drugačne mreže, ob upoštevanju istih robnih pogojev (nepomično vpetje, obremenitev F = 1400 N) ter z uporabo drugega algoritma reševanja, sem dobil rezultate, ki se niso razlikovali za več kot 4,5%. To potrjuje pravilnost prvotno dobljenih vrednosti. Glede na dobljene rezultate analiz in izračunov menim, da je optimirana rešitev prostovisečega sedeža jamske sedežnice ustrezna. Zadoščeno je osnovnim zahtevam pri spremembi konstrukcije, ki so bile podane pred pričetkom izdelave diplomskega dela in sicer: § zagotovljena je ustrezna varnost § stroški izdelave ostajajo nespremenjeni.

Optimirana rešitev sedeža pa ponuja še več:

  • zmanjšano maso (- 1,3 kg)
  • minimalni stroški razvoja in priprave na izdelavo
  • dobavitelji in izvajalci (lahko) ostajajo enaki.

Pred začetkom izdelave prve serije sedežev bi bilo dobro opraviti tudi statični preizkus, ki bi pokazal dejansko konstrukcijsko trdnost sedeža. Na ta način pridobljen ATEST sedeža bi rudarjem v premogovniku omogočal brezskrbno uporabo.

Primerjalni podatki vseh treh izvedb nosilca sedeža.

 

 

 

NOSILEC SEDEŽA - letnik izvedbe

1985

1999

2000

material

Č.1212

St 35.4

St 52.3

EuroCode oznaka materiala

S 240

S 240

S 355

standard

JUS C.B9.020

DIN 1629

DIN 1629

material - meja plastičnosti

240

240

355

material - natezna trdnost

400

400

600

cev nosilna - zunanji premer (mm)

38

48,3

38

cev nosilna - notranji premer (mm)

32,8

41,9

31,6

cev nosilna - debelina stene (mm)

2,6

3,2

3,2

cev nosilna - dolžina (m)

1,9

1,9

1,9

cev nožne opore - dolžina (m)

0,7

0,7

1,0

presek nosilne cevi (mm2)

289

454

349,8

masa cevi na enoto dolžine

2,26

3,56

2,74

odpornostni moment cevi

2397

4797

2811

 

Primerjalni podatki o masi elementov vseh treh izvedb nosilca sedeža.

SESTAVNI DEL - element / izvedba

1985

1999

2000

nosilec sedeža (cev)

5,9

8,4

7,4

sedež TOMOS APN

1,5

1,5

1,5

obešalo

4,5

4,5

4,5

drsna puša

0,1

0,1

0,1

ojačitvena rebra

0,3

0,2

0,0

pločevinasta zaščita za sedež

0,3

0,3

0,3

ostalo (vijaki, podložke, razcepke, zvari)

0,3

0,3

0,3

SKUPAJ (kg)

12,8

15,2

13,9

       

GRAFIČNI DIAGRAMI MKE ANALIZE OPTIMIRANE REŠITVE (2000)