VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING
DVOUNÁPRAVOVÝ NÁVĚS PRO PŘEPRAVU DŘEVA BIAXIAL TIMBER SEMITRAILER FOR TRANSPORT OF WOOD
DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS
AUTOR PRÁCE
MARTIN VOJTÍK
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2008
doc. Ing. MIROSLAV ŠKOPÁN, CSc.
Abstrakt Zadáním této práce je dvounápravový návěs pro přepravu dřeva, avšak z důvodu rozsáhlosti celého řešení a po dohodě s vedoucím diplomové práce se bude v této práci pojednávat pouze o řešení hlavní části a to o oplenu. Cílem je navrhnout výkyvný oplen s výsuvnými nástavci, který bude vodítkem pro studii nové výrobní varianty oproti stávajícímu výrobnímu programu firmy Agama a.s. Hlavní požadavek je kladen na návrh způsobu výsunu nástavce, který bude spolehlivý a finančně nenáročný na realizaci.
Klíčová slova Návěs, oplen, přeprava dřeva, lesní hospodářství, přeprava nákladu
Abstract The assignment of this thesis is a biaxial trailer for the transportation of timber. Due to very complex solutions of this assignment and after consultation with the supervisor of this thesis it will cover the project of the main part of the trailer – a bunk. The aim is to design a pivoted bunk with telescopic extensions. The thesis can be used as a foundation for a project of a new manufacturing modification as an improvement of a present manufacturing schedule of the Agama company. The main focus is on the design of of the telescopic extention to be reliable and affordable.
Keywords Semitrailer, bunk, transport of wood, forestry, transport of loads
Citace VOJTÍK, M. Dvounápravový návěs pro přepravu dřeva. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2008. 57 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Miroslav Škopán, CSc.
Dvounápravový návěs pro přepravu dřeva
Prohlášení Prohlašuji a svým podpisem stvrzuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně pod vedením doc. Ing. Miroslava Škopána, CSc. a s použitím uvedené literatury a pramenů.
V Brně dne ………………
………….……………… Jméno Příjmení
Poděkování Chtěl bych poděkovat zejména doc. Ing. Miroslavu Škopánovi, CSc. za odborné rady, ochotu i čas při konzultacích této diplomové práce, stejně tak i Ing. Josefu Juříkovi za vstřícnost při dotazích. Dále pak svým rodičům, sestře Veronice a přítelkyni Pavlíně za jejich podporu po celou dobu studia.
© Martin Vojtík, 2008 Tato práce vznikla jako školní dílo na Vysokém učení technickém v Brně, Fakultě strojního inženýrství. Práce je chráněna autorským zákonem a její užití bez udělení oprávnění autorem je nezákonné, s výjimkou zákonem definovaných případů.
OBSAH 1 Úvod .......................................................................................................... 1 1.1 Upřesnění zadání .........................................................................................1 1.2 Lesní hospodářství v České republice .........................................................1 1.3 Použití zařízení v lesním hospodářství ........................................................1
2 Stávající varianty řešení .......................................................................... 2 2.1 Stávající výrobní varianty firmy Agama a.s. ...............................................2 2.1.1 Oplen s pevnými klanicemi ..............................................................3 2.1.2 Oplen se sklopnými nástavci ............................................................3 2.2 Konstrukční řešení jiných výrobců ..............................................................4 2.2.1 Oplen firmy Umikov Cz s.r.o. .........................................................4 2.2.2 Jiné varianty řešení ...........................................................................5
3 Rešeršní studie možného řešení .............................................................. 6 3.1 Náhled do problematiky ..............................................................................6 3.2 Zatížení zařízení při provozu .......................................................................6 3.3 Studie konstrukčního řešení ........................................................................7 3.3.1 Rám oplenu .......................................................................................7 3.3.2 Výsuvný nástavec klanice .................................................................8 3.3.3 Výkyvný mechanismus oplenu .........................................................9
4 Výpočet zatížení ....................................................................................... 10 4.1 Výpočet zatížení klanice ..............................................................................10 4.1.1 Úvaha výpočtu zatížení klanice ........................................................10 4.1.2 Výpočet zatížení klanice od tíhové síly nákladu ..............................11 4.1.3 Dynamické zatížení klanice od setrvačných sil ................................18 4.1.4 Jiné možnosti zatížení klanice ..........................................................20 4.1.5 Celkové zatížení klanice ...................................................................21 4.2 Výpočet zatížení příčnice ............................................................................22 4.2.1 Úvaha výpočtu zatížení příčnice .......................................................22 4.2.2 Zatížení příčnice od tíhové síly nákladu ...........................................22 4.2.3 Jiná zatížení příčnice .........................................................................23 4.2.4 Celkové zatížení příčnice ..................................................................23 4.3 Zatížení příčnicové opěry ...........................................................................24
4.3.1 Stanovení klopného momentu ..........................................................24 4.3.2 Výpočet zatížení příčnicové opěry ...................................................25
5 Návrh jednotlivých dílů oplenu .............................................................. 26 5.1 Příčnice ........................................................................................................26 5.2 Klanice .........................................................................................................26 5.3 Výztužný plech příčnice ..............................................................................27 5.4 Příčnicová opěra ..........................................................................................28 5.5 Díl pro zabránění posuvu nákladu ...............................................................28 5.6 Výsuvný nástavec klanice ...........................................................................29 5.7 Díly výsunu nástavce ...................................................................................29 5.7.1 Popis dílů zajišťující výsun nástavce ................................................29 5.7.2 Popis mechanismu výsunu ................................................................31 5.8 Pouzdro čepu ...............................................................................................34 5.9 Stabilizační díl výkyvu ................................................................................35
6 Pevnostní výpočet důležitých dílů .......................................................... 37 6.1 Pevnostní výpočet hlavního rámu oplenu ....................................................37 6.2 Pevnostní výpočet příčnicové opěry ............................................................40 6.3 Pevnostní kontrola čepu a pouzdra čepu .....................................................41 6.4 Pevnostní kontrola stabilizačního dílu výkyvu ............................................43 6.5 Pevnostní kontrola dorazu nástavce klanice ................................................46 6.6 Pevnostní kontrola oka na klanici ................................................................47
7 Mazání a údržba ...................................................................................... 48 7.1 Mazání .........................................................................................................48 7.2 Údržba .........................................................................................................49
8 Závěr ........................................................................................................ 50 9 Seznam použitých zdrojů ....................................................................... 50 10 Seznam použitých zkratek a symbolů ................................................... 52 11 Seznam příloh .......................................................................................... 52
1
Úvod
1.1
Upřesnění zadání
Jak již bylo zmíněno, bude tato práce pojednávat pouze o hlavní části celé soupravy a to o oplenu. Jako hlavní úkol je zhotovení konstrukce výkyvného oplenu s výsuvnými nástavci na přepravu dřeva jako příslušenství nákladního vozidla. Velikost oplenu: šířka 2 550 mm, výška ve vysunutém stavu včetně uložení 2 600mm a nosnost 15 000 kg.
1.2
Lesní hospodářství v České republice
Lesní hospodářství má v České republice dlouhodobou tradici. Celková plocha lesů byla v roce 2006 vyměřena na 2 649 tis.ha, což tvoří 33,5% celkové výměry České republiky. Z toho 59,6 % jsou lesy ve vlastnictví České republiky [17]. Oproti roku 2005 se těžba za rok 2006 zvýšila o 14% z 15,51 mil.m3 na 17,68 mil.m3. Celkovou výši těžby dřev v roce 2006 ovlivnil nárůst přednostně prováděných nahodilých těžeb a navýšení těžby dřeva u státního podniku Lesy České republiky, kdy v závěru roku 2006 byly v předstihu realizovány plánované těžby na rok 2007 pro zabezpečení dostatku surového dříví pro včasné zásobování tuzemských zpracovatelů. Těžba dřeva zahrnuje mnoho operací od kácení stromů, opracování surového dřeva v porostu a dílčí manipulaci s ním, dopravu dřeva z porostu (přibližování), dopravu dřeva do skladů, manipulaci s dřevem ve skladech až po vlastní předání dřevního sortimentu spotřebitelům. Velký význam má přitom doprava dřevní hmoty ze skládky dřeva v lese do skladů případně rovnou ke spotřebiteli. K těmto účelům se v dnešní době užívají především velká a těžká vozidla, která pojmou až dvě desítky m3 prostorového dřeva. Jsou to obvykle oplenové návěsy a přívěsy. Ty pak můžeme dále dělit podle jejich vlastnosti na oplenová vozidla pro odvoz krátkého a dlouhého dřeva.
1.3
Použití zařízení v lesním hospodářství
Kvalitně navržený oplen je velmi důležitou součástí pro každý návěs či přívěs v lesním hospodářství. Oplen je nedílnou součástí každé takové soupravy a je jedním z jeho hlavních funkčních zařízení. Musí zajišťovat dobré uložení kmenů stromů, zabránit jejich uvolnění při jízdě a zajistit dobré jízdní vlastnosti jak při jízdě v terénu, tak i po silnicích vyšších tříd.
-1-
Opleny můžeme dělit na pevné, posuvné a výkyvné. Pevný oplen je napevno přichycen na jízdní soupravu bez možnosti jakéhokoliv pohybu. Posuvné opleny se používají hlavně na návěsech, kde využíváme jejich posuvu v podélném směru po návěsu, čímž si můžeme nastavit rozpětí mezi jednotlivými opleny pro následný odvoz kratšího dřeva. Výkyvný oplen, kterým se budeme dále zabývat, se používá ve většině případů na jízdní soupravy s přívěsem. Ty jsou určeny pro odvoz delšího dřeva, dle výrobce a typu přívěsu, od 6 až do 20m.
2
Stávající varianty řešení
2.1
Stávající výrobní varianty firmy Agama a.s.
Výrobní program firmy Agama a.s. [12] je poměrně rozmanitý. Jednou z mnoha je i výroba návěsů a přívěsů pro přepravu dřeva a tím související výroba oplenů pro tyto soupravy. Vyrábí se několik typů těchto oplenů. Každý z nich má své výhody i nevýhody, ať už bereme v potaz výrobní či provozní vlastnosti. Pro návrh nové konstrukce by bylo vhodné využít výhod stávajících starších modelů, avšak vyvarovat se jejich záporům.
Obr.1 – Oplen s pevnými klanicemi
-2-
2.1.1 Oplen s pevnými klanicemi Tento typ oplenu (viz Obr.1) je méně náročný na výrobu díky jeho jednoduchosti. Vyznačuje se pevnou a odolnou konstrukcí. Klanice jsou pevné a jsou vyrobeny jako svarek z profilu U a pásové oceli. Tento typ řešení je sice výhodný z pohledu konstrukčního, avšak již méně výhodný v praxi. Mohutnost rámu přináší negativa z hlediska větší hmotnosti celého oplenu. V praktickém provozu jsou poměrně značně nevýhodné pevné klanice. Důvodem je, že při doporučeném způsobu nakládání se nejprve loží větší a tím pádem i těžší kmeny. Při nemožnosti snížit výšku klanice při nakládce se pak musí všechny kmeny, ať už lehčí i ty těžké, přenášet nad klanicemi, které mají svou maximální výšku, což způsobuje extrémní namáhání hydraulické ruky, která pak musí i s těmi nejtěžšími břemeny absolvovat zdvih do krajních poloh svého rozsahu.
Obr.2 Oplen se sklopnými nástavci 2.1.2 Oplen se sklopnými nástavci Oplen staršího a menšího provedení (viz Obr.2) se vyznačuje sklopnými nástavci na klanicích. Jak již bylo zmíněno, možnost snížení výšky klanice při nakládání je velkou výhodou. Sice je zde o trochu náročnější výroba, ale to každopádně nepředčí výhodu této koncepce řešení. Klanice je vyrobena z obdélníkového profilu (jäcklu), kde nahoře je
-3-
pomocí čepu uchycen horní sklápěný díl, který je vyroben z U-profilu s vyztužovacími prvky. Sklápění je mechanické bez ovládacího mechanismu. Je vybaven pouze pružinou, která zajišťuje tento nástavec v jeho krajních polohách. Toto provedení sklápěcího mechanismu je sice nejjednodušší, a to jednak poměrně snadnou výrobou tak i minimální údržbou zařízení, avšak už ne tolik používáním v praxi. Má hned několik zásadních nedostatků. Z důvodu sklápění nástavců dovnitř ložného prostoru se nám omezuje možnost ložení až po výšku klanice při sklopeném nástavci. To pak má za následek dřívější vyklopení nástavce, čímž musíme více kmenů přenášet až přes nejvyšší výšku klanice. Dalším nedostatkem je mechanické sklápění bez ovládacího členu. Sklápění a vyklápění pak provádí obsluha ručně, což je sice jednoduché, avšak časově i fyzicky náročné. Zkušenější obsluha pak tyto nástavce sklápí a vyklápí pomocí hydraulické ruky, což však taky není časově příliš úsporné a navíc může dojít k poškození následkem deformace zařízení z důvodu nepřesnosti manipulace hydraulické ruky.
2.2
Konstrukční řešení jiných výrobců
2.2.1 Oplen firmy Umikov Cz s.r.o.
Obr.3 Oplen firmy Umikov
-4-
Zajímavým řešením se jeví oplen od výrobce Umikov Cz s.r.o. [15], který se skládá ze 2 párů klanic, přičemž jeden pár je vysouvací. Vysouvání se však provádí manuálně vysunutím a zajištěním čepu, což je opět časově náročné při nakládce. Konstrukce se dvěma páry klanic je velmi bytelná, čímž je zajištěna dobrá odolnost a trvanlivost, avšak jeví se jako ne příliš vhodná, z důvodu složitosti výroby i větší hmotnosti. Delší je i přední a zadní příčníková opěra, která pak lépe zachycuje klopný moment při brzdění. 2.2.2 Jiné varianty řešení Občas se setkáváme s variantou, kde je nástavec klanice vysouván tlakovým vzduchem. Ten je ovládán z místa ovládání hydraulické ruky, takže odpadá složitost procesu vysouvání nástavců. Tlakový vzduch je oproti hydraulice méně náročný co se týká technické i ekonomické stránky věci. Taktéž se vyrábí i opleny, které nejsou výkyvné, ale jsou napevno spojeny s točnicí. Takový oplen je technicky jednodušší i výrobně méně náročný, avšak jeho vlastnosti, především při jízdě v terénu, jsou daleko horší. Pokud se jízdní souprava „láme“ například při změně sklonu povrchu vozovky pak klády naložené na soupravě mají obvykle tendenci se chovat jako jeden celek. To pak má za následek, že se kmeny vůči klanicím snaží posunout. Pokud je tření mezi klanicí a kmenem tak velké, že nedovolí, aby se po ní kmen posunul, může dojít v krajním případě až k deformaci klanice. Tato varianta oplenu je pak vhodná jen tehdy, když se souprava provozuje s přihlédnutím k těmto vlastnostem a snaží se těmto nepříznivým vlivům vyhnout například tím, že se loží jen méně objemné kmeny. V opačném případě je možno tuto soupravu provozovat jen tam, kde není členitost terénu natolik velká, aby se příliš projevily záporné vlastnosti pevného oplenu.
Obr.4 Pevný oplen firmy ZLT auto a.s.
-5-
3
Rešeršní studie možného řešení
3.1
Náhled do problematiky
Možných řešení výkyvného oplenu s výsuvnými nástavci se nabízí celá škála. Od těch nejjednodušších až po technicky téměř dokonalé, plně automatizované s prvky kontroly jednotlivých mechanismů. Z hlediska používání zařízení v těžkém a nepříliš šetrném provozu lesního hospodářství se však chci vyvarovat příliš složitým prvkům, jakými jsou snímače nebo jiné technicky složité prvky. Jednak jsou tyto prvky náročnější na provozní podmínky a taktéž z ekonomického hlediska nejsou zrovna nejlevnějším řešení. Z mého pohledu by zařízení mělo být co možná nejjednodušší, aby se tím docílilo spolehlivého a co možná nejméně údržbového provozu. Proto je nutné se zaměřit především na prvky plnící složitější funkce zařízení, kterými jsou například systém zajišťující výkyv celého oplenu nebo mechanismus výsuvného nástavce. Tento výsuvný mechanismus mě z celé škály problémů zajímá nejvíce, protože si myslím, že stávající systém bez možnosti snížení klanic nebo s výklopným nástavcem není příliš vhodným řešením vzhledem jejich nedostatkům popsaným výše. Důležité pro dobrou a spolehlivou funkci oplenu a příznivě dlouhou životnost je taky kvalitní návrh rámu oplenu a jeho dobrý pevnostní výpočet, který je závislý na způsobu zatěžování. V neposlední řadě bychom neměli zapomnět na doporučení údržby celého zařícení jako je mazání a kontrola jednotlivých prvků zařízení.
3.2
Zatížení zařízení při provozu
Při studii zatížení oplenu musíme brát v úvahu dvě možnosti zatěžovacích stavů. A to statické zatížení, při kterém bereme v potaz pouze hmotnost zařízení a nákladu na něm. Zde bude záležet na způsobu uložení klád při nakládání (viz Obr.5). Je nemožné zabrat celou škálu možností těchto uložení, proto se budeme zabývat jen několika variantami, při kterých bude nejvíce pravděpodobné, že dojde k maximálním silovým účinkům na rám oplenu. V druhém případě, který je o něco složitější, musíme uvažovat dynamické účinky, které se projevují při pohybu soustavy. Tím máme na mysli například zatížení způsobené při brzdění nebo při průjezdu zatáčkou. To však nejsou zdaleka všechny možné stavy, které můžou při provozu nastat, avšak budeme se zabývat jen těmi, které jsou z hlediska zatížení ty nejdůležitější.
-6-
a)
b)
Obr.5 Možnosti uložení dřeva v oplenu a působící síly na klanici a) uložení kmenů nad sebou (v praxi nepravděpodobné) b) uložení kmenů v mezerách (v praxi nejvíce obvyklé)
3.3
Studie konstrukčního řešení
3.3.1
Rám oplenu
Návrh rámu samotného oplenu bych rozdělil do dvou větví. Vyplývá to nejen z konstrukčního pohledu, ale taky ze způsobu zatěžování. První částí je hlavní příčník spolu s příčníkovými opěrami. Ty je nutno navrhnout tak, aby odolávali především vertikální síle způsobené hmotností nákladu. Poté je nutno mimo jiné provést kontrolu příčníkových opěr, které jsou namáhány především při brzdění jízdní soupravy. Výkyvný oplen má při brzdění snahu vychýlit se ze svislé polohy směrem dopředu, což právě zachycují tyto opěry. Samotný příčník navrhuji zhotovit z jäcklu, na který bude navařen ocelový pilovitý profil, který zabrání posouvání kmenů po příčníku. Pokud výpočtovou optimalizací dojdeme k závěru, že příčník vyrobený z jäcklu by měl mít poměrně vysoký profil, tak bych navrhl řešení druhé. Vysoký profil příčníku nám totiž ubírá ložnou plochu oplenu a v dnešní době se usiluje o každý centimetr navíc. Proto bych jako druhou možnost vhodnou pro výpočet navrhl variantu složitější na výrobu ale úspornější na výšku profilu, upravený profil příčníku (viz Obr.6). Ten by byl vyroben taktéž z profilu jäckel, avšak ze dvou užších profilů svařených k sobě. Vznikl by tedy opět čtvercový, případně obdélníkový profil, který by byl navíc uprostřed vyztužen vzpěrou. To umožní snížení profilu příčníku a zvýšení ložné plochy oplenu. Pokud by rozdíl výšek jednotlivých variant
-7-
byl dostatečně výrazný, bylo by vhodné uvažovat o variantě druhé i navzdory vyšším nárokům na výrobu. Přední a zadní příčníková opěra bude zhotovena z pásové oceli, oproti stávající variantě bude naopak užší a delší. Pokud to bude potvrzeno výpočtem, měla by mít tato varianta výhody oproti stávající verzi. Delší opěry zajistí vyšší absorpci klopného momentu, čímž se zlepší jízdní vlastnosti. Zúžením se pak jen upraví množství materiálu, které bude přidáno na prodloužení opěr, aby se zamezilo příliš velké hmotnosti celého oplenu.
Obr.6 Uvažovaný návrh profilu příčníku Klanice navrhuji z profilu jäckel s přivařením zužující se výztuhy z ohýbané pásové oceli, poněvadž je to technicky i výrobně nejjednodušší varianta řešení. Následný výpočet nám umožní optimalizovat tento profil co se týče jeho velikosti i možnosti natočení. Pokud by se totiž jednalo o obdélníkový profil jäcklu, tak jej můžeme použít v příčném nebo v podélném směru vůči vozidlu. Bude záležet na výpočtu konkrétních zatěžovacích stavů, podle kterých pak určíme nejvhodnější natočení daného profilu. Klanice vůči příčníku budou navzájem svařeny a v daném místě vyztuženy vhodně tvarovanou pásovou ocelí, která nám v tomto případě zvýší únosnost vůči ohybovému momentu způsobenému příčnému namáhání klanic. 3.3.2 Výsuvný nástavec klanice Technických variant výsuvného nástavce se nabízí hned několik. Co se týká jeho tvaru použiji profil jäckel, jehož velikost bude záležet na profilu klanice, jelikož se tento díl bude do profilu klanice zasouvat. A to jäcklu buď to čtvercového nebo obdélníkového průřezu. Více možností se nabízí ve způsobu, kterým bude nástavec vysouván. Předem jsem upustil od varianty manuálního ovládání nástavce, jelikož je tento způsob příliš časově i fyzicky náročný pro obsluhu zařízení. Dalšími způsoby jsou ovládání vysouvání řízeného na dálku, pokud možno přímo z místa pro manipulaci s hydraulickou rukou. Zde se nabízí několik možností jak toto provést. Jedna z nich je použití přímočarého -8-
hydromotoru, který by byl umístněn pod nástavcem a zajišťoval by jak vysouvání tak zasouvání nástavce. Tento způsob se v praxi jeví jako nejvíce praktický, avšak má svá úskalí v podobě větší technické náročnosti a taktéž poměrně finančně dražšího provedení. Celý systém hydraulického vysouvání totiž nespočívá pouze v umístnění pístu pod výsuvný nástavec, ale je zde zapotřebí taky navrhnout cestu pro hydraulické potrubí a celý samostatný hydraulický okruh, který toto vysouvání vyžaduje. S tím souvisí náklady na pořízení několika metrů hydraulických hadic a ostatních prvků, které tento okruh vyžaduje. To vše dohromady je dostatek argumentů, proč se takovému řešení vyhnout. Podobné řešení nabízí vysouvání nástavce pomocí tlakového vzduchu. Je to částečně obdobné jako nabízí hydraulické ovládání, avšak o něco technicky i ekonomicky méně náročnější. Přesto bych se však přiklonil k mnohem jednoduššímu řešení, a to plně mechanickému. Celý mechanismus by měl fungovat tak, že nástavec bude vysouván hydraulickou rukou a při jeho výsunu bude zajišťovací mechanismus držet nástavec v aktuální vysunuté poloze vždy, když jej hydraulická ruka pustí. To znamená, že takto se nástavec bude vysouvat až do jeho maximálního výsunu. Pak když jej ještě výše povysuneme, tak se zajišťovací mechanismus uvolní a tím bude umožněno zasunutí nástavce. Celý tento mechanismus se mi jeví jako nejlepší řešení z hlediska jednoduchosti výroby, dobré životnosti dílů a téměř minimální údržbě. U mechanického zařízení podobného typu nám stačí pouze základní údržba v podobě pravidelného mazání jednotlivých funkčních dílů. V tom je obrovská výhoda oproti jiným složitějším zařízením, které plní stejnou funkci. 3.3.3 Výkyvný mechanismus oplenu Při návrhu výkyvného mechanismu oplenu se jako první otázka naskytne, jak moc by se měl oplen vychylovat. Každopádně provedeme návrhový výpočet, který nám ukáže o jaký úhel se nám jízdní souprava vychýlí, projíždí-li „obvyklou“ terénní nerovností. Největší neznámou je zde právě výraz „obvyklou“. Jistě nemůžeme zahrnout i ty nejextrémnější situace, které se v terénu vyskytnou, avšak budeme uvažovat jen více obvyklé situace, které se naskytnou při průjezdu těžkým terénem. Samotná konstrukce bude zhotovena tak, že oplen bude k rámu točnice uchycen na dvou čepech, které budou zajišťovat samotný výkyv oplenu. Pro zajištění svislé polohy v případě, že je oplen prázdný, budou sloužit dva páry stabilizačních pružin z pryže.
-9-
4
Výpočet zatížení
4.1
Výpočet zatížení klanice
4.1.1 Úvaha výpočtu zatížení klanice Klanice jako svislý nosný prvek oplenu jsou staticky namáhány silami, které působí od jednotlivých klád ve vodorovném směru na vnitřní stranu klanice, čímž klanice rozevírají. Tyto síly pak na nich způsobují poměrně značný ohybový moment. Spočítat exaktně síly od klád, které klanici rozevírají do stran je poměrně složité. Nedá se totiž ani zdaleka postihnout všechny specifické možnosti uložení. Přičemž každé uspořádání klád v oplenu, co se týče velikosti a polohy, znamená jiné silové zatížení na klanici. Proto při výpočtu zatížení budeme uvažovat ideálně stejnou velikost, tvar i umístění klád, načež pak zvýšením koeficientu bezpečnosti postihneme nepříznivé podmínky při zatěžování, které v praxi nastanou. Pro výpočet tedy bereme v potaz stejně velké klády, ideálně kulaté a umístěné tak, že každá kláda vždy zaujímá místo v mezeře mezi kládami pod ní (viz. Obr.7). Při takovémto uložení klád se pak tíhová síla každé klády (Fg) rozkládá na dvě síly (Fa, Fb), které působí na klády pod ní (viz. Obr.8). Tyto síly mají směr šikmý dolů, v naší úvaze s kládami stejného průměru pak pod úhlem 60°. Tyto síly se s každou další řadou směrem dolů navyšují a to tak, že se jejich hodnoty sčítají. Krajní kláda, která se přímo dotýká klanice pak tuto sílu přenese ve vodorovném směru na samotnou klanici (viz Obr.7), čímž dochází k silovém působení na klanici, což v konečném důsledku vyvolává ohybový moment na klanici.
Obr. 7 Rozložení klád a síly působící na klanici
- 10 -
Obr. 8 Rozložení tíhové síly klády Pro výpočet sil působící na klanici tedy použijeme úvahu popsanou výše. Maximální namáhání klanice budou způsobovat klády o maximálním průměru, což si dokážeme níže. Jako zastoupení teoreticky největší klády přepravovaných v oplenu uvažuji kládu o průměru 0,8m. 4.1.2 Výpočet zatížení klanice od tíhové síly nákladu Průměr teoreticky největší uvažované klády je tedy D = 0,8m. Ložnou šířka oplenu volíme Ls = 2,32 m a ložnou výšku oplenu volíme Lv = 2,32m (hodnoty z návrhového nákresu). Pro zvolený průměr klády vypočteme počet klád, které můžeme při stanoveném uložení do ložného prostoru oplenu dostat. Tento počet zaokrouhlujeme vždy na celé číslo nahoru. Počet klád na šířku pak bude:
Po zaokrouhlení na celá čísla pak
pocet .s =
Ls D
pocet .s =
2,32 = 2,9 0,8
(1)
POCET .S = 3
Počet klád na výšku je mírně složitější z důvodu, že klády jsou nad sebou vždy v mezeře mezi kládami pod nimi. Nejprve je nutno vypočítat vertikální vzdálenost mezi těžišti dvou řad nad sebou. Tato vzdálenost odpovídá výšce pravoúhlého trojúhelníka, kde přepona je průměr D a jedna z odvěsen D/2.
- 11 -
Tato výška je rovna: v=
D D2 − 2
2
(2)
2
0,8 v = 0,8 − = 0,693m 2 2
Počet klád na výšku spočítáme jednoduchým podělením ložné výšky oplenu, od které odečteme jeden průměr klády z důvodu poloměrů pod těžištěm první vrstvy a poloměru nad těžištěm poslední vrstvy a hodnotou výšky v. pocet.v = pocet .v =
Lv − D +1 v
(3)
2,32 − 0,8 + 1 = 3,2 0,693
Po zaokrouhlení na celá čísla pak POCET .V = 4 Při zmiňovaném uspořádání klád v oplenu (viz Obr.7) nám při počtu třech klád na šířku a čtyř vrstev klád činí pak celkový počet klád v oplenu deset. Hustota dřevní hmoty těžené v krátké době po skácení stromu, není konstantní. Záleží především na druhu dřeviny. Podle toho dělíme na dřeva s nízkou hustotou, dřeva se střední hustotou a dřeva s vysokou hustotou. Mezi dřeva s nízkou hustotou řadíme například borovice, smrk, jedle, topol nebo lípu. Naopak dřeva s vysokou hustotou jsou v naší krajině například habr, moruše nebo akát. Hustotu dřev však ovlivňují i jiné faktory a to především lokalita, kde daný strom vyrůstal. Hustotu čerstvě skáceného stromu značně ovlivní i roční období těžby. Například na jaro je hustota větší než v létě či v zimě. Většinou udávané charakteristiky nám předkládají hustotu dřevin při 12% vlhkosti. A to proto, že 12% vlhkosti je dosaženo dlouhodobějším vystavení dřeva běžným podmínkám temperované místnosti (T=20°C, φ=65%). V Tab.1 můžeme porovnat hustoty našich běžných dřevin při 12% hustotě [8].
- 12 -
Druh dřeviny Hustota při 12% vlhkosti Borovice lesní 490 kg/m3 Buk lesní 620 kg/m3 Dub letní a zimní 600 kg/m3 Habr obecný 750 kg/m3 Lípa velkolistá 410 kg/m3 Ořešák královský 500 kg/m3 Modřín opadavý 550 kg/m3 Smrk ztepilý 470 kg/m3 Švestka domácí 560 kg/m3 Zimostráz vždyzelený 950 kg/m3 Tab. 1 Hustoty našich dřevin Pokud budeme uvažovat běžně dopravované dřeviny v lesním hospodářství z tabulky 1 můžeme usuzovat, že jako nejtěžší můžeme brát v potaz habr obecný. Jeho hustota při 12% vlhkosti je přibližně 750 kg/m3. Průměrná hustota dřeva habru po vytěžení v syrovém stavu se pak pohybuje okolo 1100 kg/m3 [7]. Pro tuto hodnotu můžeme prověřit hmotnost nákladu připadající na jeden oplen. Bereme-li uvažované naložení klád z předchozího výpočtu, tedy klády o průměru 0,8m a počtu osmi klád, tak aby náklad splňoval maximální povolenou nosnost, musí být tyto klády dlouhé maximálně 6m. To je zároveň minimální možná délka klád, kterou lze oplenovou soupravou přepravovat, takže pro tuto délku klád následující výpočet můžeme provést. Hmotnost jedné klády tedy bude:
π * D2 * L * ρ m1 = 4
(4)
π * 0,8 2 * 6 *1100 = 3,318 * 10 3 kg m1 = 4 Při počtu osmi klád naložených na soupravě bude celková hmotnost nákladu: m c = m1 * 10
(5)
mc = 3,318 *10 3 *10 = 33,18 * 10 3 kg Hmotnost připadající na jeden oplen je pak poloviční (uložení klád je na dvou oplenech) a činí:
moplen =
mc 2
- 13 -
(6)
moplen =
33,18 *10 3 = 16,59 *10 3 kg 2
Váha na jeden oplen tedy připadá mírně přes 16 tun, což je sice více, než jeho požadovaná nosnost, avšak z důvodu možných negativních faktorů, které můžou při uložení klád nastat, pak toto mírné předimenzování hmotnosti tolik nevadí. Naopak v konečném důsledku to příznivě ovlivní výsledný koeficient bezpečnosti. Čili uvažované uspořádání a počet klád můžeme brát za směrodatné pro navržení maximálního silového působení na klanice. Jestliže známe hmotnost jedné klády můžeme spočítat tíhovou sílu jedné klády: Fg 1 = m1 * g
(7)
Fg1 = 3,318 *10 3 * 9,81 = 32,54kN Tato tíhová síla od jedné klády se pak dělí na dvě síly a působí na klády pod úhlem 60° (viz Obr.8). Z další klády nám pak stejným způsobem působí opět polovina její tíhové síly. Tyto síly se pak s každou vrstvou směrem dolů sčítají. Klada, která se dotýká klanice pak tuto sumarizaci uzavírá. Dostaneme tak tedy výslednou sílu, která působí směrem dolů pod úhlem 60°. Tato výsledná síla je sumou všech složek sil pod úhlem 60° od tíhových sil každé klády a působí na klanici (viz Obr.7). V našem konkrétním případě, kdy uvažujeme průměr klád 0,8m, tedy 3 klády na šíři a 3 vrstvy klád na výši, máme klády dotýkající se klanice v první a třetí vrstvě zespodu. Síly působící na klanici ve vodorovném směru tudíž budou dvě. První síla bude na klanici působit v 0,4m od spodu ložné plochy a druhá bude působit na klanice vy výšce 1,786m. První síla, která bude působit na klanici (tj. síla v 0,4m) pak bude mít hodnotu:
F1 =
k * Fg 1 * tg 30 ° 2
(8)
k…počet řad nad kládou včetně F1 =
4 * 32,54 * 10 3 * tg 30° = 37,58kN 2
Druhá síla, která bude působit ve výšce 1,786m bude pak: F2 = F2 =
k * Fg1 * tg 30° 2
2 * 32,54 *10 3 * tg 30° = 18,79kN 2
- 14 -
(9)
Pokud tyto dvě síly budou působit v daných místech na klanici, pak výsledný ohybový moment bude: M O = F1 * a + F2 * b
(10)
kde a=0,4m a b=1,786m (viz Obr.9) M O = 37,58 * 10 3 * 0,4 + 18,79 * 10 3 * 1,786 = 48,6kNm
Obr.9 Síly působící na klanici při daném uložení klád Celkový maximální ohybový moment, který působí na klanici v jejím nejspodnějším místě je tedy přibližně 48,6 kNm. Pro ověření, zda-li právě při tomto průměru klád působí maximální ohybový moment, můžeme provést celou proceduru výpočtu znovu pro libovolný průměr klády. Tento proces nám ukazují Tab.2 – Tab.9 a grafické vyjádření ohybových momentů působících na klanice nám pak vyjadřuje Obr.10. Průměr klády 0,8m
Průměr klády 0,7m
Síla [kN]
Vzdálenost bodu působení k povrchu příčnice [m]
Síla [kN]
Vzdálenost bodu působení k povrchu příčnice [m]
37,58
0,4
28,77
0,35
18,79
1,786
14,39
1,562
Tab. 2
Tab. 3
- 15 -
Průměr klády 0,6m
Průměr klády 0,2m
Síla [kN]
Vzdálenost bodu působení k povrchu příčnice [m]
Síla [kN]
Vzdálenost bodu působení k povrchu příčnice [m]
26,42
0,3
8,221
0,1
15,85
1,339
7,046
0,446
5,285
2,32
5,872
0,793
4,697
1,139
3,523
1,486
2,349
1,832
1,174
2,178
Tab. 4 Průměr klády 0,5m Síla [kN]
Vzdálenost bodu působení k povrchu příčnice [m]
22,02
0,25
14,68
1,116
7,34
1,982
Tab. 8 Průměr klády 0,1m Síla [kN]
Vzdálenost bodu působení k povrchu příčnice [m]
3,963
0,05
3,67
0,223
3,376
0,396
Vzdálenost bodu působení k povrchu příčnice [m]
3,083
0,57
2,789
0,743
16,44
0,2
2,496
0,916
11,74
0,893
2,202
1,089
7,046
1,586
1,908
1,262
2,349
2,278
1,615
1,436
1,321
1,609
1,028
1,782
0,733
1,955
0,44
2,128
0,147
2,302
Tab. 5
Průměr klády 0,4m Síla [kN]
Tab. 6 Průměr klády 0,3m Vzdálenost bodu působení Síla [kN] k povrchu příčnice [m] 11,89
0,15
9,248
0,67
6,606
1,189
3,963
1,709
1,321
2,228
Tab. 9
Tab. 7
- 16 -
Obr. 10 Ohybové momenty na klanici při různých průměrech klád [v kNm] Nyní známe hodnotu a místo maximálního ohybového momentu na klanici. V našem případě (klád o průměru 0,8m) ho vyvolávají 2 síly, avšak v případě menších průměrů klád, je těchto sil na klanici víc. Proto pro zobecnění zatížení si tyto 2 síly nahradíme liniovým zatížením, které navrhneme takové velikosti, aby výsledný maximální ohybový moment na klanici měl stejnou hodnotu a přibližně i stejný průběh jako při zatížení dvěma silami. Tedy hodnotu přibližně -48,6kNm. Nahrazení bodového zatížení liniovým zatížením nám zároveň umožní obsáhnout více možností uložení. Hledané liniové zatížení (viz Obr.11) vypočteme následujícím způsobem: 1 * q0 * l 2 = M O 6
(11)
Z tohoto obecného vzorce si vyjádříme neznámou qo a za M0 dosadíme maximální ohybový moment z předchozího postupu a to 48,6 kNm.
q0 =
6* MO l2
6 * 48,6 * 10 3 q0 = = 54,176 *10 3 kN ≅ 54,2kN 2 2,32
- 17 -
(12)
Obr.11
Obr. 12
Obr. 13
Hledané liniové zatížení má tedy charakter trojúhelníku (viz Obr.12), kde ve vrchní částí klanice působí nulové zatížení a ve spodní části klanice působí síla 54,2 kN. Ohybový moment na klanici znázorňuje Obr. 13, kde maximální ohybový moment je stejný jako maximální ohybový moment při zatížení bodovém z předchozího postupu. 4.1.3 Dynamické zatížení klanice od setrvačných sil Při průjezdu zatáčkou nebo při vyhýbacím manévru musíme brát v úvahu působení setrvačných sil v příčném směru vůči směru jízdy (viz Obr.14). Na náklad totiž působí odstředivá síla, která v mnoha případech není vůbec zanedbatelnou složkou zatížení celého oplenu. Velikosti odstředivé síly působící na náklad zaleží na několika faktorech. Ze vzorce (13) je na první pohled patrné, že záleží na hmotnosti tělesa (m), rychlosti pohybu (v) a průměru oblouku (R).
FO = m * a d =
- 18 -
m * v2 R
(13)
Obr. 14 Působení odstředivé síly Pro rozbor silového působení odstředivé síly je třeba vycházet z výsledků měření provedených ze způsobu jízdy v praktickém provozu. Tato měření prokázala, že je využíváno nižších hodnot příčného zrychlení, než by umožňoval stav techniky, zejména adhezní možnosti pneumatik. Důvodem je psychologická bariéra, která průměrným řidičům zabraňuje použití vyšších hodnot příčného zrychlení za jízdy vysokou rychlostí. Křivka zjištěné závislosti velikosti využívaného příčného zrychlení na rychlosti jízdy je uvedena na Obr.15. Maximum křivky představuje hodnota 4,1 ms-2. Při uvažování určité rezervy pak můžeme konstatovat, že odpovídající příčné zrychlení bude mít hodnotu 5 ms-2 [4].
Obr. 15 Křivka příčných zrychlení dosahovaných v běžném provozu
- 19 -
Pokud budeme uvažovat hodnotu příčného zrychlení zjištěnou v předchozí úvaze a jako hmotnost budeme uvažovat nosnost oplenu 15 tun, pak hodnota odstředivé síly činí: FO = m * a d
(14)
FO = 15 *10 3 * 5 = 75kN Působení odstředivé síly na náklad budou zachycovat především klanice. Daná odstředivá síla na klanici však nebude působit bodově, nýbrž po celé délce klanice. Tudíž tuto sílu musíme převést na stejnoměrné liniové zatížení odpovídající velikosti. To provedeme poměrně jednoduše podělením síly výškou klanice:
qo =
qo =
FO LV
(15)
75 *10 3 = 32,327kN / m 2,32
Tuto hodnotu zaokrouhlíme nahoru pro zvýšení bezpečnosti při náhodných negativních situacích a to na hodnotu 32,4 kN/m. Tím dostáváme výsledné stejnoměrné liniové zatížení, které bude způsobovat náklad při průjezdu zatáčkou a které bude působit po celé délce klanice. 4.1.4 Jiné možnosti zatížení klanice Mezi jiné možnosti zatížení klanice můžeme řadit různé nepříznivé vlivy, které v silniční dopravě mohou nastat. Jsou to především příčiny nerovností vozovky. To způsobí, že náklad se nepatrně odlehčí a zpětný ráz zvýší zatížení celé konstrukce. Aby se zamezilo příliš velkým rázům je nutno celý náklad přitáhnut k oplenu pomocí upínacích popruhů, které z velké části brání těmto negativní projevům při jízdě. Dalším možným zatížením je zatížení větrem. Jeho výpočet se řídí podle normy ČSN EN 1991-1-4 s názvem Zatížení konstrukcí - Část 1-4: Obecná zatížení - Zatížení větrem. Výpočet zatížení větrem v daném případě není vůbec jednoduchou záležitostí a taktéž výsledné zatížení nebude mít tak velký vliv na celkovém zatížení. Proto toto zatížení od bočního nárazového větru, který nám taktéž bude menší částí přispívat k zatížení klanice, zahrneme do souhrnu jiných zatížení klanice. Po zvážení všech těchto variant a na doporučení navrhuji, aby toto zatížení bylo třetinové velikosti zatížení od tíhové síly.
- 20 -
4.1.5 Celkové zatížení klanice Celkové zatížení klanice bude činit součet všech tří výše uvedených zatížení (Obr. 16) a to zatížení od tíhové síly, zatížení od setrvačných sil a jiná zatížení. Výsledný průběh ohybového momentu patrný taktéž z Obr. 17 nám tedy dává konečný stav, který bude použit pro návrhový výpočet klanice. Na průřez klanice bude taktéž působit tlakové zatížení (svisle dolů) od prvků, které klanice na sobě ponese, avšak tyto hodnoty jsou z pohledu celého zatížení natolik malé, že je můžeme zanedbat.
Obr. 16 Zatížení klanice [kNm-1]
fvf
Obr. 17 Celkový ohybový moment na klanici [kNm]
- 21 -
4.2
Výpočet zatížení příčnice
4.2.1 Úvaha výpočtu zatížení příčnice Příčnicí nazýváme spodní nosný rám oplenu. Zajišťuje nám jednak prvky oplenu jako jsou klanice a příčnicová opěra a druhou hlavní funkci má tu, že přes její tělo je celý oplen uchycen na točnici. Tyto její funkce nám dávají určitý obrázek toho, jak přibližně bude vypadat zatížení této příčnice. Klanice, které jsou na ni přivařeny, budou na příčnici přenášet ohybový moment, který je právě v místě přechodu těchto dvou dílů maximální. Uchycení příčnice na točnici nám vlastně tvoří podpory. Toto uchycení bude zprostředkováno čepem, který bude v podélném směru jízdy výkyvný. Takovéto uchycení si do plošného vyjádření převedeme jako tuhé podpory, jelikož nám tyto uchycení neumožňují posuv v žádném směru a v rovině této plochy ani natočení. Příčnicové opěry nám plní funkci při brzdění soupravy. V tu chvíli se na nich tvoří ohybový moment, který má směr vodorovný a příčný ke směru jízdy. Tento moment se pak přenáší na příčnici v místě spojení těchto opěr s příčnicí. Ve výpočtu zatížení příčnice však tento moment nebudeme brát v potaz, jelikož dostatečné dimenzování by nám mělo bezpečně tento moment zachytit. 4.2.2 Zatížení příčnice od tíhové síly nákladu Zatížení od tíhové síly bude na příčnici vyvoláno tíhou nákladu. Jeho velikost bude spjatá s nosností samotného oplenu. Ta činí 15 tun, což vyvolá sílu: Fgp = mc * g
(16)
Fgp = 15 *10 3 * 9,81 = 147,15kN
Tato síla však na příčnici nepůsobí v jednom bodě. V praxi na příčnici působí několik sil, které v součtu pak dají dohromady celkovou tíhovou sílu celého nákladu. Počet těchto sil je proměnný podle počtu přepravovaných klád. Na rozdíl od zatížení klanic, však tento údaj nemá na zatížení příčnice takový vliv, proto nám bude stěžejní údaj pouze maximální nosnost oplenu. Pro zobecnění zatížení tedy pak tyto bodové síly převedeme na liniové zatížení, které bude po celé délce oplenu konstantní. Výpočet provedeme jednoduchým způsobem podělením tíhové síly od nákladu ložnou šířkou příčnice. Tento údaj pak zaokrouhlíme směrem nahoru (17).
- 22 -
qp =
qp =
Fgp
(17)
LS
147,15 * 10 3 = 63,426kN / m ≅ 63,5kN / m 2,32
4.2.3 Jiná zatížení příčnice Mezi jiná zatížení příčnice stejně jako u zatížení klanice budeme řadit účinky sil, způsobených při jízdě soustavy z důvodu nerovnosti vozovky. Stejně jako u klanice budou tyto účinky snižovat upínací popruhy, ale ne s takovou účinností jako tomu bude u zatížení klanic. Další aspekt, který může náhle zvýšit zatížení příčnice nastane, když na téměř naložený oplen při nakládání spadne kláda větších rozměrů z větší výšky. Stává se to zřídka, ale při neopatrnosti obsluhy hydraulické ruky nebo při její náhlé závadě k této situaci může dojít. Pád takové klády pak způsobí ráz v řádu několika kN. S přihlédnutím k těmto možnostem zatěžování navrhuji stanovit toto zatížení na polovinu zatížení způsobené tíhovou sílou. Tedy po zaokrouhlení nahoru na 32kNm-1. 4.2.4 Celkové zatížení příčnice Celkové zatížení příčnice opět získáme sečtením jednotlivých složek zatížení. To znamená zatížení od tíhové síly a jiných zatížení. Navíc bude příčnice zatěžována momenty, které budou na příčnici přenášeny z klanic. Ty budou na koncích příčnice působit každý v opačném směru a budou mít hodnotu jakou má ohybový moment ve spodním konci klanice, čili se bude rovnat maximálnímu momentu na klanici. Tento proces a výsledné celkové zatížení příčnice nám znázorňuje Obr. 18. Hlavní namáhání příčnice pro návrh její konstrukce bude od ohybového momentu. Pro zjednodušení výpočtu tohoto momentu si příčnici zjednodušíme jako nosník na dvou podporách. Podpory jsou tuhé (vysvětleno v 4.2.1) a jsou umístněny symetricky od středu. Vzdálenost mezi nimi činí 0,92m. Výpočet tohoto ohybového momentu na příčnici provedený pomocí programu Nexis nám znázorňuje Obr. 19.
- 23 -
Obr. 18 Zatížení příčnice [kNm-1, příp. kNm]
Obr. 19 Průběh ohybového momentu po příčnici [kNm]
4.3
Zatížení příčnicové opěry
4.3.1 Stanovení klopného momentu Příčnicová opěra slouží pro zachycení klopného momentu při brzdění nebo rozjezdu jízdní soupravy. Právě při tomto ději bude její konstrukce namáhána. Jelikož při brzdění je tento moment výrazně větší než při rozjezdu, budeme se tedy zabývat pouze touto variantou. Klopný moment bude mít střed otáčení v ose čepů, na kterých je oplen připevněn, a rameno bude rovno kolmé vzdálenosti od této osy po těžiště nákladu. Těžiště nákladu budeme brát pro zjednodušení uprostřed ložné plochy, to znamená ve výšce asi 1,16m nad příčnicí. Od horní hrany příčnice po střed čepu je pak vzdálenost ještě 0,2m.
- 24 -
Setrvačná síla, která působí na náklad má pak hodnotu: FdN = µ * m * g kde µ m g
(18)
je součinitel adheze pneumatik (přibližně 0,8) [4] je hmotnost nákladu i oplenu (hmotnost oplen bereme přibližně 1000kg) je tíhové zrychlení FdN = 0,8 *16 * 10 3 * 9,81 = 125,568kN ≅ 125,6kN
Klopný moment od naloženého oplenu je tedy: M KN = FdN * rnč
(19)
kde rnč je rameno klopného momentu (popsané výše) M KN = 125,6 *10 3 *1,36 = 170,816kNm ≅ 171kNm Tento klopný moment (19) nám musí tato opěra zachytit. Rameno momentu od osy čepu ke konci opěry bude přibližně 0,5m. Potřebujeme zjistit sílu, která na tuto opěru bude působit. Tu si vyjádříme z klopného momentu (19): M KN = FPO * roč
(20)
Z něj pak síla působící na opěru FPO se rovná:
FPO =
FPO =
M KN roč
(21)
171 *10 3 = 342kN 0,5
4.3.2 Výpočet zatížení příčnicové opěry Tato síla však nebude působit bodově, nýbrž po celé délce hrany, o kterou se tyto klády budou při brzdění opírat. Ta bude mít délku přibližně 0,8m, takže hodnota liniového zatížení, které bude na této hraně konstantní, bude mít velikost:
qMO =
q MO =
F PO lo
342 * 10 3 = 427,5kNm −1 0,8
- 25 -
(22)
5
Návrh jednotlivých dílů oplenu
5.1 Příčnice Příčnice jako hlavní nosný prvek celého oplenu bude hlavně v jejích krajních koncích extrémně namáhána, jak je patrno výpočtu z jejího zatížení. Proto její konstrukce k tomu musí být patřičně přizpůsobená. Bude tedy vyráběna svařením dvou uzavřených obdélníkových profilů dle EN 10219 rozměru 160x80x10mm [5]. Délka příčnice pak bude 2300 mm. Na příčnici jsou pak přivařeny všechny ostatní prvky celého oplenu. Celá konstrukce příčnice již po svaření z obou jejích částí je patrná z Obr. 20.
Obr. 20 Konstrukce příčnice
5.2 Klanice Klanice je spolu s příčnicí nejvíce namáhanými díly celé soustavy. Při její konstrukci je proto nutné brát ohled na velikosti a tvar průběhu ohybového momentu, který nám zatížení na klanici vyvolává. Jak je patrno z Obr. 17, ohybový moment se k dolní části klanice zvětšuje. Na to musíme brát ohled při návrhu její konstrukce. Proto bude klanice vyrobena ze dvou částí (viz Obr. 21). První z nich bude uzavřený obdélníkový profil dle EN 10219 o rozměru 160x120x10mm a délky 1700 mm [5]. Druhý díl bude ohýbaný plech tloušťky 12mm dle výkresové dokumentace. Oba tyto díly budou k sobě svařeny. Vytvoří tak svarek dle Obr. 22.
Obr. 21 Výrobní části klanice - 26 -
Obr. 22 Svarek klanice Na klanici dále budou přivařeny úchyty pro upínací popruhy, přičemž na každé straně klanice bude jeden úchyt. Tento úchyt bude jednoduchý díl vyrobený z pásové oceli tloušťky 8mm a bude tvořit oko pro zaháknutí popruhu (viz Obr. 23).
Obr. 23 Oko na klanici
5.3 Výztužný plech příčnice Je to jednoduchý díl navržený tak, aby zajistil lepší spojení příčnice a klanice. Zároveň snižuje účinek vrubu, který v tomto spojení nastává. Ke klanici i příčnici je přivařen. Vyrobený je z pásové oceli tloušťky 25mm a vyříznut do požadovaného tvaru. Jeho tvar je patrný z Obr. 24. Navíc bude mezi oba tyto plechy v místě styku příčnice a klanice ještě přivařen díl z pásové oceli tloušťky 10 aby se zamezilo velké koncentrace vrubového napětí v tomto místě.
Obr. 24 Výztužný plech příčnice - 27 -
5.4 Příčnicová opěra Příčnicová opěra je významný díl sloužící k zachycení kyvného momentu především při brzdění soupravy. Výpočet a vysvětlení tohoto děje popisuje kapitola 4.3. Protože zatížení tohoto dílu bude poměrně velké, bylo nutné jej navrhnout mohutné konstrukce. Celý díl je tedy svarek ze tří dílů. Dva z nich jsou stejné a jsou z profilu dle EN 10219 o rozměru 100x80x8mm a délky 320 mm. Druhý díl je pak z ohýbané pásové oceli šířky 140mm a tloušťky 10mm [5]. Celý svarek příčnicové opěry zobrazuje Obr. 25.
Obr. 25 Příčnicová opěra
5.5 Díl pro zabránění posuvu nákladu Tento díl je zcela jednoduchou součástí, která má jedinou funkci a to zabránění pohybu klád ve směru jízdy soupravy. Může tak nastat hlavně při brzdění, kdy na klády působí zrychlení až 8ms-2. Jelikož je náklad přitáhnut k příčnici pomocí upínacích popruhů stačí k tomuto účelu tento jednoduchý hřeben, který se svými trny zaryje do klád, s kterými je právě v kontaktu. Tím, že se mnohonásobně zvýší součinitel tření mezi kládou a příčnicí, zabrání se tak posuvu nákladu po příčnici. Hřeben je vyroben z pásové oceli tloušťky 15 mm, na příčnici je přivařen a znázorňuje ho Obr. 26.
Obr. 26 Hřeben na příčnici proti posuvu nákladu
- 28 -
5.6 Výsuvný nástavec klanice Výsuvný nástavec klanice je samostatný díl, který se zasouvá do profilu klanice. Jeho výsunem se zvětšuje ložná plocha oplenu v parametru výšky. Tento díl je svarek z uzavřeného obdélníkového profilu dle EN 10219 o rozměru 120x100x8 mm a délky 800 mm [5], dorazového dílu a kloboučku nástavce. Klobouček nástavce je díl vytvořený jako svarek tří jednoduchých dílů. Slouží jednak pro ukončení a zaslepení díry na konci obdélníkového profilu nástavce a taktéž slouží k uchopení nástavce hydraulickou rukou. Jeho tvar je přizpůsoben především pro funkci při vysouvání a zasouvání nástavce. Mechanismus vysouvání celého nástavce bude popsán níže v kapitole 5.6. K nástavci je přišroubován mechanismus výsunu, který bude taktéž podrobně popsán v kapitole 5.6. Dorazový díl je výrobek z pásové oceli o velikosti 100 x 800 mm a tloušťky 20 mm a je přivařen na profil jäcklu nástavce. Je v něm vypálen oválný otvor, který složí jako dorazový prostředek při vysouvání nástavce. Součástí dorazu je speciálně upravený šroub M30x40 ISO 8.8, který je zkrácen na délku 28 mm, přičemž závit je pouze v jeho horní části a má délku 10 mm. Spodní část tohoto šroubu je obrobena na průměr 26 mm. Šroub je při montáži našroubován do připraveného závitu v horní části klanice, přičemž při vysouvání se jeho obrobená část pohybuje v oválném otvoru na nástavci. Při maximálním vysunutí nástavce pak tento šroub slouží jako doraz. Výsuvný nástavec klanice s pohledem na díl dorazu a dorazový šroub zobrazuje Obr. 27.
Obr. 27 Výsuvný nástavec klanice s dorazovým šroubem
5.7 Díly výsunu nástavce 5.7.1 Popis dílů zajišťující výsun nástavce Výsun nástavce je mechanický. Jak již bylo zmíněno, nástavec bude vysouván a zasouván pomocí hydraulické ruky. Ta nástavec uchopí za klobouček nástavce a opatrnou manipulací s hydraulickou rukou tento nástavec svislým pohybem nahoru vysouvá a svislým pohybem dolů naopak zasouvá. Nástavec se zasouvá dovnitř obdélníkového
- 29 -
profilu klanice. Styčné plochy mezi nástavcem a klanicí budou pravidelně mazány podle instrukcí v kapitole 7 – Údržba a mazání zařízení. Systém zajištění nástavce ve vysunuté poloze nám zprostředkovává několik elementů. Hlavním z nich jsou ozubený díl posuvu, zobáček a čep zobáčku. Ozubený díl posuvu (viz Obr. 28) je speciálně obrobený díl z pásové oceli do požadovaného tvaru. K nástavci je přichycen dvěma šrouby M10, které zároveň připevňují i kryt nástavce. Druhou hlavní skupinou dílů je zobáček a čep, na kterém je zobáček zajištěn vnějším pojistným kroužkem (viz Obr. 30). Zobáček je přesně tvarovaný díl, který díky svému přesnému vytvarování plní důležitou funkci v zajištění nástavce. Zobáček je nasunut na čepu, na kterém se může volně otáčet. Tento čep je ke klanici přivařen na přesně určené místo dle výkresové dokumentace, což je velmi důležité pro funkčnost celého mechanismu výsunu nástavce. Mazání styčných ploch zajišťuje maznice na konci čepu. Přes ni je mazací tuk vtláčen do mazacích komůrek, které jsou v čepu (viz Obr. 29) a ústí na styčné plochy, kde snižuje tření mezi zobáčkem a čepem. Maznice je zvolena dle ČSN 23 1470 a to mazací hlavice kulová úhlová 90° se závitem M6 [10]. Tento typ maznice bylo zvolen s ohledem na lepší přístup při mazání oproti variantě přímé maznice. Pro dobrou funkci a dlouhou životnost zobáčku je nutné dodržovat mazací pokyny pro tuto maznici podle kapitoly 7 - Údržba a mazání zařízení.
Obr. 28 Ozubený díl posuvu
Obr. 30 Čep pro zobáček s naznačenými mazacími komůrkami
Obr. 29 Sestava zobáčku, čepu, maznice a pojistného kroužku
- 30 -
5.7.2 Popis mechanismu výsunu Jak již bylo zmíněno, vysouvání a zasouvání nástavce klanice zprostředkovává hydraulická ruka, kterou ovládá obsluha stroje. Při nakládání klád tak může kdykoliv, pokud to zrovna náklad umožňuje, nástavec zasunout či vysunout bez toho, aniž by opustil stanoviště pro ovládání hydraulické ruky. Manipulování s nástavcem se tak stává poměrně snadné a časově úsporné oproti variantám, kdy je nástavec vysouván manuálně. I když je nutno dodat, že manipulace s nástavcem pomocí hydraulické ruky vyžaduje určitou zručnost a šetrnost, aby nedošlo k poškození mechanismu zajišťující výsunu nástavce. Hydraulická ruka totiž disponuje poměrně velkou silou a i když jsou díly výsunu na tuto sílu dimenzovány, případné větší rázy by je mohly poškodit. Výsun nástavce si můžeme rozdělit do pěti po sobě jdoucích stádií. Ty tvoří uzavřený cyklus, který je možné provádět pouze v jednom směru. První stádium je při zasunutém nástavci. Nástavec dosedá na plochu, kterou tvoří ozubený díl výsunu. Je tak vytvořen doraz, který brání nechtěnému úplnému zasunutí nástavce do profilu klanice. V této pozici nástavce je zobáček překlopen vlevo na stranu ozubení (viz Obr. 31).
Obr. 31 Pozice při zasunutém nástavci Druhým krokem je samotné vysouvání nástavce. Hydraulická ruka nástavec uchopí za jeho klobouček a šetrným tahem nahoru jej vysouvá. Zobáček při tom zapadává do jednotlivých zubů, čímž nástavec zachycuje v dané poloze vysunutí. Výška vysunutí je tedy libovolná v daném rozsahu. Tento rozsah, bereme-li nulovou polohu při úplně zasunutém nástavci a maximální polohu při vysunutém nástavci, kdy zobáček zapadá do nejspodnějšího malého zubu (viz Obr. 32), je asi 600mm. Toto maximální vysunutí indikuje barevný pruh, který bude na nástavci klanice vyznačen kontrastní barvou. Když se - 31 -
tento pruh při vysouvání nástavce objeví, pro obsluhu hydraulické ruky to znamená, že je nástavec v poloze maximálního výsunu. Zajištění nástavce v této poloze je zprostředkováno zobáčkem, který prostřednictvím zubů brání v zasunutí nástavce. Pokud je nástavec využit, tedy když je o něj zapřená kláda nákladu, tak nemůže dojít k samovolnému odjištění zobáčku. Ten je tvarován tak, že při jeho zaklopení je svírán směrem dolů. Navíc pokud je o nástavec zapřená kláda, mezi styčnými plochami nástavce a klanice působí poměrně velká třecí síla, která brání samovolnému posunutí nástavce.
Obr. 32 Maximální funkční výsun Pro opětovné zasunutí se nástavec znovu uchopí hydraulickou rukou a povysune se ještě asi o 100mm výše než při maximálním provozním vysunutí. Znovu je toto místo označeno výrazným barevným pruhem, aby obsluha věděla, jak moc je nástavec třeba ještě povysunout a zbytečně tak nenamáhala díly výsunu. Při tomto vysunutí dojde k překlopení zobáčku na pravou stranu díky tvarování ozubeného dílu výsunu (viz Obr. 33). Dojde tak k uvolnění nástavce, kdy může nastat proces zasouvání. Zobáček nyní klouže po rovné ploše ozubeného dílu, čímž nebrání v zasouvání nástavce. Plocha, po které zobáček klouže by měla být rovněž namazána podle mazacího plánu a to proto, aby mezi těmito styčnými plochami nevznikalo téměř žádné tření a nedocházelo tak k odírání zobáčku nebo protější plochy na ozubeném dílu. Jakmile je nástavec skoro zasunut začíná se zobáček díky vytvarování na ozubeném dílu opět překlápět doleva (viz Obr. 34). Při úplné zasunutí je již zcela překlopen na levou stranu a cyklus tak může začít opět od začátku.
- 32 -
Obr. 33 Úsek překlopení zobáčku Tento mechanický způsob výsuvu nástavce je poměrně jednoduchý a tím pádem i snadný na jeho údržbu, či případnou výměnu poškozených dílů. Je na mysli jediná otázka, zda překlápění zobáčku bude takto fungovat i v případě, že nákladní souprava bude stát na nakloněném místě. Pro překlopení zobáčku je potřeba natočení asi 18°, z čehož můžeme vyvodit závěry, že mírný náklon soupravy nebude mít patrný vliv na funkci zobáčku. Jelikož není téměř reálné, aby souprava při nakládání měla náklon v bočním směru skoro 18°, jelikož by tím vzniklo nebezpečí překlopení celé soupravy. Z toho důvodu ve většině případů probíhá nakládka i vykládka na relativně rovném terénu. Pokud by však nastaly problémy s překlápěním zobáčku je možná varianta doplnění mechanismu zobáčku o tažnou pružinu, která by nahrazovala funkci gravitační síly.
Obr. 34 Úsek opětovného překlopení zobáčku
- 33 -
5.8 Pouzdro čepu Celý oplen je uložen na dvou čepech, které zajišťují výkyv celého oplenu. Tyto čepy jsou speciální šrouby M64 ISO 8.8 o délce 240 mm , které navíc obsahují díru pro zajišťující závlačku. Součástí čepu je korunková matice M64 dle ČSN 02 1411.55, kterou zajišťuje závlačka M10x160 dle ČSN 02 1781.15 [5]. Celá sestava čepu včetně pouzder, které jsou součástí oplenu, je patrná z Obr. 35.
Obr. 35 Sestava čepu s pouzdry Pouzdra na oplenu i protilehlá pouzdra na točnici jsou vyrobeny z konstrukční oceli. Pro lepší kluzné vlastnosti jsou do nich vlisovány kluzná pouzdra od výrobce SKF dle přiložených specifikací (viz Obr. 36) [9].
Obr. 36 Specifikace kluzného pouzdra od výrobce SKF
- 34 -
Navíc jsou v pouzdrech kulové přímočaré maznice dle ČSN 23 1470 [10], které zajišťují mazání do prostoru kluzného pouzdra. Pouzdro čepu i samotný čep jsou navrženy tak, aby odpovídaly pevnostním požadavků na střih a otlačení. Pevnostní výpočet čepu je uveden níže v kapitole 6.3. Umístnění pouzder čepů na klanici je takové, že mezi jednotlivými páry pouzder je vzdálenost 80mm. Důležitou kótou při umístění pouzder je pak rozměr 1000mm, který je mezi dvěma nejvzdálenějšími pouzdry z jejich vnitřní strany. Tato kóta vytyčuje rozměr pouzder, která jsou na točnici. Točnice má v průměru 1000mm, čili rozpětí těchto pouzder na ní nesmí být taktéž větší než 1000mm (viz Obr. 37). Pouzdra je bezpodmínečně nutné přivařit k příčnici podle daných rozměrů a příslušných tolerancí dle výkresové dokumentace. Z vnější strany každého páru pouzder je navíc šípovitý díl, který je přivařen jednak na příčnici tak i na vnější pouzdro, a brání tak vrubovému napětí v místě styku pouzdra a příčnice.
Obr. 37 Umístnění pouzder na příčnici
5.9 Stabilizační díl výkyvu Výkyvný mechanismus má ve skutečnosti dva mechanismy stabilizace výkyvu. Jedním z nich je příčníková opěra, která zajišťuje výkyv oplenu při naložení oplenu nákladem. Brání přílišnému naklonění oplenu při rozjíždění a brzdění a taktéž řídí výkyv při průjezdu nerovností v terénu. Pokud je však oplen nenaložený, příčníková opěra zcela ztrácí význam. Pokud by oplen neobsahoval jinou stabilizaci, došlo by k tomu, že by oplen byl zcela volně výkyvný v plném rozsahu výkyvu, což by způsobovalo jeho velkou nestabilitu. Například při jízdě by pak docházelo k překlápění oplenu z jedné stany na druhou a způsobené rázy by mohly vést až k poškození konstrukce oplenu. Proto v tomto případě musí funkci příčníkové opěry nahradit druhý stabilizační člen, kterým jsou dva páry vzpěr s pryžovou pružinoutzv. silentblokem. Tato pružina zajišťuje stabilní vzpřímenou polohu oplenu v nezatíženém
- 35 -
stavu a zároveň umožňuje výkyv, pokud na ni začne působit větší síla způsobena tíhou nákladu při průjezdu terénních nerovností. Při návrhu této pružiny vycházím z předpokladu, že maximální změna sklonu povrchu, která může v terénu nastat je přibližně 15°. Dalším důležitým parametrem je klopný moment prázdného oplenu například při brzdění, který vyvolá na pružině sílu, která nesmí tuto pružinu příliš deformovat, aby se oplen tolik nevykyvoval. Na základě daných parametrů byla vybrána pryžová pružina od výrobce FRAM s.r.o. a to silentblok řady 100 provedení P3, typu S10075 a rozměrů dle Obr. 38 [14]. Celý výpočet pevnostního hodnocení pružiny je uveden níže v kapitole 6.4. Silentblok je upevněn šroubem M16 na držáku silentbloku, který je pak na oplen přivařen. Sestavu držáku s pryžovou pružinou nám zobrazuje Obr. 39.
Obr. 38 Rozměrové parametry pryžové pružiny
Obr. 39 Sestava silentbloku a je držáku
- 36 -
6
Pevnostní výpočet důležitých dílů
6.1 Pevnostní výpočet hlavního rámu oplenu Pevnostní výpočet hlavního rámu oplenu se provede pomocí metody konečných prvků (dále jen MKP). Jako výpočtový software byl použit program Ansys Workbench verze 10. Za hlavní rám oplenu považujeme ty díly, které plní hlavní nosnou funkci. Jsou to příčnice, klanice, nástavec klanice, plech příčníku a pouzdra čepu. Z těchto dílů byl vytvořen zjednodušený model v programu SolidWorks a to jako jeden celistvý díl. Tím odpadá složitost zavazbování jednotlivých dílů oproti modelu který by byl složen z několika dílů. Jelikož bude celý oplen vyroben jako svarek, můžeme si toto zjednodušení dovolit. Pouze výsuvný nástavec není pevně spojen s hlavní nosnou částí. Pro zjednodušení bude tato posuvná vazba nahrazena vetknutím s tím, že se uvažuje nástavec v poloze maximálního vysunutí. Zatížení tohoto modelu bylo provedeno dle vypočteného zatížení klanice a příčnice v kapitole 4.1 a 4.2. Výsledné liniové zatížení klanice bylo nahrazeno příslušnými silami a to tak, že skutečná délka klanice (2,2m) byla rozdělena po 0,1m na 23 míst, které budou působištěm těchto sil. Hodnota liniového zatížení v každém tomto místě byla poté převedena na hodnotu příslušné síly vynásobením délkou příslušného úseku (dle 23), což činí 0,1m. Fi = q i * li
(23)
kde Fi je příslušná síla qi je příslušná hodnota liniového zatížení li je délka úseku, která činí 0,1m To, že liniové zatížení na horním a dolním konci klanice působí jen na úsek 0,05m bylo zanedbáno a u všech míst byla brána délka 0,1m. Toto zmíněné zanedbání způsobí jen nepatrně větší zatížení, což je výhodné z důvodu větší rezervy v hodnotě koeficientu bezpečnosti. Tím dostáváme hodnoty příslušných sil působících na klanici, což nám znázorňuje Tab. 10. Na příčnici působí konstantní liniové zatížení, což bylo nejvýhodnější nahradit plošným tlakem, který působí na horní plochu příčnice. Hodnota tohoto tlaku pak je:
pp =
qp bp
- 37 -
(24)
pp =
95,5 = 596,875kPa ≅ 596,9kPa 0,16
Umístění bodu bráno od spodu klanice [m] 2,2 2,1 2 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
Hodnota liniového zatížení v daném bodě [kN/m] 32,4 35,682 38,964 42,246 45,528 48,81 52,092 55,374 58,656 61,938 65,22 68,502 71,784 75,066 78,348 81,63 84,912 88,194 91,476 94,758 98,04 101,322 104,604
Hodnota získané síly v daném bodě [kN] 3,24 3,5682 3,8964 4,2246 4,5528 4,881 5,2092 5,5374 5,8656 6,1938 6,522 6,8502 7,1784 7,5066 7,8348 8,163 8,4912 8,8194 9,1476 9,4758 9,804 10,1322 10,4604
Tab. 10 Nahrazení liniového zatížení klanice příslušnými silami Podpory tvoří plochy pouzdra, ve kterých bude čep. Jelikož nám při tomto zatížení působí síly pouze v jedné rovině a nikoli prostorově, můžeme tyto podpory stanovit jako fixní. Velikost elementu pro MKP byla zvolena 0,01m, což považuji za dostačující z hlediska řešeného problému i velikosti celého modelu, čímž vznikla síť v počtu přibližně 276 tisíc elementů. Pomocí programu Ansys byla provedena analýza MKP a výsledná napětí nám zobrazuje Obr. 40 a Obr. 41 uvedené v Příloze 1. Z něj je patrné, že maximální napětí bude v místě vrubu u pouzdra pro čep, což se z hlediska zatížení dalo předpokládat. Hodnota tohoto maximálního napětí činí přibližně σRmax= 290 MPa. Ostatní extrémní místa se nacházejí v místě vrubových koncentrací v okolí styku klanice a příčnice a dosahují - 38 -
přibližné hodnoty mezi 240 MPa až 250 Mpa. Ostatní místa jsou již zanedbatelná oproti těmto extrémům. V případě, že jako konstrukční materiál bude použita ocel S355JR s mezí kluzu přibližně Re=355 Mpa [5], pak z hlediska bezpečnosti lze konstatovat, že konstrukce oplenu vyhovuje a to i přesto, že nejmenší koeficient bezpečnost v místě vrubu u pouzdra čepu je pouze 1,22 (25) a v ostatních místech koncentrace napětí již přijatelnějších 1,42. To z toho důvodu, že navržené zatížení je již patřičně předimenzováno, čili v praxi bude skutečné zatížení menší a tím pádem i skutečné napětí budou dosahovat nižších hodnot. Maximální hodnota celkové posuvu je v místě horní části výsuvného nástavce a činí asi 0,026 m, což z hlediska velikosti oplenu je vyhovující hodnota. Celkové posuvy nám znázorňuje Obr. 42.
kR =
kR =
Re
σ R max
355 = 1,22 290
Obr. 42 Celkové posuvy na rámu oplenu
- 39 -
(25)
6.2 Pevnostní výpočet příčnicové opěry Příčnicová opěra slouží pro zachycení klopného momentu zejména při brzdění a rozjíždění. Největších silových účinků je však dosahováno při brzdění, kdy na přední plochu příčnicové opěry působí liniové zatížení přibližně 427,5 kNm-1. Konkrétní výpočet zatížení je uveden v kapitole 4.3. Pevnostní výpočet byl proveden metodou konečných prvků v programu Ansys s velikostí elementu 0,005m. Plochy, které budou přivařeny na hlavní rámu oplenu, byly stanoveny jako fixní vazby. Zatížení pak bude působit na protilehlou stranu příčníkové opěry z její horní části. Z výpočtu napětí (viz Obr. 43) je patrné, že maximální napětí podle předpokladu bude v blízkosti vetknutí a konkrétně na vrubu v ohybu opěry. Maximální napětí zde dosahuje hodnoty přibližně σomax=271,7 MPa, což z hlediska již mírného předimenzování silového zatížení poměrně vyhovuje. Materiál, z něhož bude opěra vyrobena je rovněž konstrukční ocel S355JR s mezí pevnosti Re=355 MPa [5]. V tom případě bude koeficient bezpečnosti přibližně 1,3 (26), avšak ve skutečném provozu dosáhneme o něco větších hodnot bezpečnosti.
Obr. 43 Napětí na příčníkové opěře
- 40 -
kO =
kO =
(26)
Re
σ o max
355 = 1,3 271,7
6.3 Pevnostní kontrola čepu a pouzdra čepu Pevnostní kontrola čepu a pouzdra čepu spočívá v jejich kontrole na střih a otlačení. Jelikož v pouzdře čepu je navíc vlisováno kluzné pouzdro od výrobce SKF, které dle Obr. 36 zcela dostačuje níže vypočtenému zatížení, provádíme pouze kontrolu čepu. Jako zatížení pro toto spojení uvažujeme zatížení od hmotnosti nákladu a oplenu. Hmotnost nákladu bereme maximální nosnost oplenu, což činí 15 000 kg a hmotnost oplenu bereme s mírným předimenzováním 1000 kg. Celková hmotnost tedy činí 16 000 kg. Tato hmotnost se však rozdělí na dva čepy, čili na jeden čep připadá zatížení od hmotnosti 8 000 kg. Síla působící na pouzdra pak bude: F = m*g
(27)
F = 8000 * 9,81 = 78480 N Uvažujeme zatížení míjivé, kde hodnota provozního koeficientu pro tlak činí 1,25 a pro střih 1,43. Materiál použitý na čep je konstrukční ocel S355JR, která má dovolený tlak na otlačení při točném uložení pdov = 30 MPa a hodnotu dovoleného smykového napětí τdov = 90 MPa [5]. Parametry čepu jsou (viz Tab. 11): Průměr čepu D [mm]
70
Styková délka čepu s pouzdrem na oplenu - b [mm]
2x50
Styková délka čepu s pouzdrem na točnici – c [mm]
80
Provozní koeficient pro tlak kp Provozní koeficient pro smyk ks
1,25 1,43
Tab. 11 Parametru čepového spojení
- 41 -
Výpočet tlaku mezi čepem a pouzdrem na oplenu pak je [5]: p1 =
p1 =
F *kp b*D
(28)
78480 * 1,25 = 14 MPa 2 * 50 * 70
Za vyhovující spojení považujeme když p < pdov, přičemž naše spojení tomuto požadavku vyhovuje s bezpečností:
k1 =
k1 =
(29)
pdov p1
30 = 2,14 14
Výpočet tlaku mezi čepem a pouzdrem na točnici: p2 = p2 =
F *kp c*D
(30)
78480 * 1,25 = 17,5MPa 80 * 70 Bezpečnost pak opět vyhovuje:
k2 =
k2 =
pdov p2
(31)
30 = 1,71 17,5
Kontrola na smyk pak spočívá podobně jako v kontrole na otlačení na porovnání τ a τdov, kdy musí platit, že τ < τdov. Hodnota τ se vypočte ze vztahu:
τ=
τ=
F *2 * ks π * D2
78480 * 2 *1,43 = 14,6MPa π * 70 2
- 42 -
(32)
Hodnota bezpečnosti na smyk pak je:
ks = ks =
τ dov τ
(33)
90 = 6,2 14,6
Při posouzení čepového spojení oplenu s točnicí na smyk a otlačení můžeme konstatovat, že toto spojení bezpečně vyhovuje.
6.4 Pevnostní kontrola stabilizačního dílu výkyvu Tato pevnostní kontrola bude mít několik částí. Tou první je kontrola únosnosti pryže, když bude souprava projíždět terénní nerovností. V kapitole 4.6 bylo uvedeno, že uvažujeme maximální změnu sklonu terénu 15°. Při průjezdu touto nerovností pak dojde k této deformaci pryžové pružiny: ∆l = sin α * rpč kde:
(34)
∆l je deformace pružiny α je změna sklonu terénu – 15° rpč je rameno osy čepu a osy pryžové pružiny – 155mm ∆l = sin 15° *155 = 40,1mm
Zjednodušeně lze napětí v pružině vypočítat podle Hookeova zákona [1]:
ε=
σ E
(35)
po úpravě pak:
σ =ε *E ε je poměrné prodloužení (zkrácení) definováno vztahem: ∆l ε= l0 kde: ∆l je změna délky l0 je původní délka
- 43 -
(36)
(37)
V našem případě pak poměrné zkrácení nabývá hodnoty:
ε=
40,1 = 0,53 75
Modul pružnosti E pryže je dle tabulkových hodnot přibližně 4,59 MPa [16]. Hodnota napětí na této pryžové pružině pak bude dosahovat hodnot přibližně (36):
σ = 0,53 * 4,59 = 2,43MPa Hodnota meze pevnosti v tlaku pryže je přibližně 27,6 MPa [16], čili navržená pryžová pružina vyhovuje z hlediska pevnosti při deformaci způsobené při průjezdu „maximální“ terénní nerovností. Druhým krokem je pak zjištění, zda-li se nebude prázdný oplen příliš vykyvovat například brzdění či rozjíždění. Nejprve je zde důležité si spočítat klopný moment prázdného oplenu. Spočítáme setrvačnou sílu, která bude na tento prázdný oplen působit při průměrném zrychlení či zpomalení jízdní soupravy. To si stanovíme jako poloviční zrychlení pří maximálním brzdění: Fs =
kde µ m g
µ *m* g 2
(38)
je součinitel adheze pneumatik je hmotnost oplenu (s mírným předimenzováním přibližně 1000kg) je tíhové zrychlení Fs =
0,8 * 1000 * 9,81 = 3924 N 2
Klopný moment při daném brzdění pak je: M K = Fs * rnč
(39)
kde rnč je rameno klopného momentu – 1,3m M K = 3924 * 1,3 = 5101Nm Zpětným postupem pak zjistíme sílu působící na jednu pryžovou pružinu: M K = 2 * FP * rpč
kde rpč je rameno momentu mezi osou čepu a osou pryžové pružiny
- 44 -
(40)
Fp =
FP =
MK 2 * rpč
(41)
5101 = 16455 N 2 * 0,155
Tato síla nám pak na pružině vyvolá napětí rovno:
σ=
σ=
σ=
FP S
FP D2 π* 4
(42) (43)
16455 = 2,1MPa 100 2 π* 4
Podle výpočtů uvedených výše (35) vypočteme poměrnou deformaci při tomto napětí:
σ E 2,1 *10 6 ε= = 0,45 4,59 * 10 6 ε=
Z toho pak vypočteme délku o kolik se nám pružina stlačí:
ε=
∆l l0
∆l = ε * l 0 ∆l = 0,45 * 75 = 34mm Úhel, o který se bude oplen vychylovat pak bude roven:
sin α =
∆l rpč
α = sin −1 ( α = sin −1 (
∆l ) rpč
0,034 ) = 12,6° 0,155 - 45 -
(44)
Prázdný oplen se tedy bude při běžném brzdění vychylovat o 12,6°, avšak z důvodu poměrně velkého předimenzování hmotnosti prázdného oplenu vůči realitě bude skutečné vychylování patřičně menší.
6.5 Pevnostní kontrola dorazu nástavce klanice Při cyklu vysouvání nástavce může dojít k tomu, že při nešetrném zacházení s hydraulickou rukou ve stádiu skoro úplného výsunu nástavce se zarazí nástavec o dorazový šroub. Při pevnostní kontrole tedy budeme řešit dorazový šroub, aby při jeho funkci nedošlo k jeho destrukci. Velikost síly, která bude na něj působit záleží na velikosti síly, kterou může hydraulická ruka vyvinout ve svislém směru nahoru. Tato síla je při zjednodušeném pojetí její nosností. Jelikož je nosnost určujícím parametrem hydraulické ruky, bylo nutné zjistit informace o nabízených produktech na trhu a z něj vybrat ten s maximální nosností, avšak z kategorie běžného lesního provozu. Tuto nosnost pak bereme jako určující pro výpočet zatížení šroubu. Po průzkumu trhu bylo zjištěno, že nejvyšší maximální nosnost nabízených hydraulických ruk se pohybuje přibližně kolem 5 tun. Tato hodnota nám pak dává silové působení rovno:
FR = m R * g
(45)
FR = 5000 * 9,81 = 49050 N ≅ 49,1kN Tato síla tedy bude působit na šroub dorazu. Ten budeme pevnostně kontrolovat na střih. Tento dorazový šroub je pevnostní třídy 8.8, která má τdov přibližně 90 MPa [5]. Smykové napětí na šroubu dorazu při působení dané síly bude nabývat hodnoty: FR * 2 π * D2
τ=
(46)
kde D je průměr dorazového šroubu 26 [mm] 49,1 *10 3 * 2 τ= = 46,2 MPa π * 26 2 Koeficient bezpečnost tohoto dorazového šroubu pak bude:
k=
τ dov τ
- 46 -
(47)
k=
90 = 1,95 46,2
Tato hodnota je vyhovující i z hlediska možnosti, že tento dorazový šroub může být vystaven i rázům, které pak mírně navýší původní velikost zatěžující síly na tento doraz.
6.6 Pevnostní kontrola oka na klanici Oko na klanici slouží pro uchycení napínacího popruhu. Ten se používá pro stažení klád na oplenu. Maximální síla napínání popruhu z kategorie velmi silných je přibližně 50 kN. Tato síla působí na toto oko na vnitřní plochu kruhového otvoru ve směru svislém nahoru. Napětí na oku klanice bylo vypočteno metodou konečných prvků programem Ansys. Toto napětí nám zobrazuje Obr. 44.
Obr. 44 Napětí na oku klanice Z výpočtu napětí je patrno, že maximální napětí bude ve spoji klanice s okem v jeho horních rozích. Zde vznikají vrubové účinky, které toto napětí vyvolávají. To je rovno přibližně velikosti σok=259,6 MPa. Materiál tohoto oka bude konstrukční ocel S355JR, která má mez pevnosti asi Re=355 MPa [5], z čehož vyplývá, že navržené oko vyhovuje pevnostní kontrole a to s koeficientem bezpečnosti přibližně 1,37 (48). - 47 -
k=
k ok =
7 7.1
(48)
Re σ ok
355 = 1,37 259,6
Mazání a údržba Mazání
Pravidelné mazání je nedílnou součástí provozování každého zařízení pro zajištění jeho dobrého a spolehlivého provozu. To na potřebných styčných plochách snižuje tření a tím chrání součásti před jejich předčasným opotřebováním. Navíc toto snížení tření zajišťuje lepší funkci součástí v souvislosti s velikostí sil potřebných k jejich vzájemnému pohybu. Například překlápění zobáčku zajišťuje pouze působení gravitační síly, která v tomto případě díky poměrně malé hmotnosti zobáčku není příliš veliká. Tím pádem je velmi nutné, aby tření mezi tímto zobáčkem a čepem zobáčku nepřesáhlo hranici, kdy by se už zobáček nebyl schopen překlopit. Proto je velmi důležité mazání nepodceňovat a řídit se striktně pokyny uvedenými v mazacím plánu dle Tab. 11 a mazat všechny mazací body (viz Obr. 46). Mazání se doporučuje mazacím tukem klasifikace ISO 6743 CCEB 2/3. Příkladem určeného maziva je mazací tuk od firmy Paramo a to Mogul Molyla G s danými kvalitativními parametry (viz Obr. 45).
Mazací bod č.
Umístění
Způsob mazání
Perioda
1
pouzdra čepu výkyvy
vtlačit mazací tuk do všech čtyř maznic
měsíčně
2
čep zobáčku
vtlačit mazací tuk do maznice na obou klanicích
měsíčně
3
ozubený díl posuvu
mazat rovnou plochu ozubeného dílu, po které klouže zobáček, na obou dílech
měsíčně
4
mazat plochy, které se zasouvají styčné plochy výsuvného jednou za tři do profilu klanice a dochází zde měsíce dílu s klanicí ke tření, na obou klanicích
Tab. 11 Mazací plán
- 48 -
Obr. 45 Kvalitativní parametry doporučeného maziva
Obr. 46 Zobrazení mazacích bodů
7.2
Údržba-
Zcela nedílnou součástí provozu jakéhokoliv zařízení je i jeho pravidelná údržba. Tou je myšleno jednak vizuální kontrola zařízení, pravidelné mazání a rovněž i opravy možných poškození. Cyklus mazání nám upřesňuje předchozí kapitola, v které je uveden i přesný mazací plán. Zběžnou vizuální kontrolu zařízení by měla obsluha jízdní soupravy provést po každém cyklu nakládky a vykládky. Obsluha by měla prohlédnout hlavní konstrukci oplenu a jeho upevnění a zkontrolovat, zda nejeví známky větší deformace či případného jiného poškození. Pokud nalezne známky těchto poruch je nutné bezpodmínečně přerušit provoz a tuto závadu nechat opravit v odborném servisu. Dalším důležitým bodem údržby jsou pravidelné servisní prohlídky v odborných pracovištích k tomu určených. Zde by měly být provedeny všechny nezbytné kontroly funkčních částí, zda nejsou poškozeny či jinak opotřebené a plní svou funkci bez jakýchkoliv překážek. Taky je nutné zkontrolovat konstrukci oplenu, zda nedochází k případnému poškození nebo deformaci, kterou zběžná vizuální kontrola neodhalila.
- 49 -
8
Závěr
Při návrhu řešení konstrukce oplenu byly brány v úvahu především náročné lesní podmínky, ve kterých bude oplen provozován. Proto byly součásti oplenu navrhovány tak, aby díky jejich jednoduchosti nedocházelo k častým poruchám a taktéž aby byla snadná výměna při případném poškození. Možnost realizace tohoto přesného návrhu ve firmě Agama a.s. není příliš pravděpodobná, avšak je pravděpodobné, že tento návrh bude sloužit jako výchozí podklad pro případnou další studii nové výrobní varianty. Je totiž nutná, přesnější kontrola například svárů v kritických místech konstrukce a jiných detailů, což není součástí této práce z důvodu přílišné obsáhlosti. Z hlediska zadání této diplomové práce bylo dosaženo odpovídajícího návrhu výkyvného oplenu s výsuvnými nástavci s daným parametrem nosnosti (15 000 kg). Šířka navrženého oplenu činí 2540 mm a výška včetně uložení při vysunutých nástavcích je 2560 mm. Oproti maximálním možným rozměrům jsou nepatrné rezervy jak do výšky tak i šířky oplenu.
9
Seznam použitých zdrojů
Monografické publikace [1]
FLORIAN, Z., JANÍČEK, P. Mechanika těles – úlohy z pružnosti a pevnosti I. Brno: VUT Brno, 2004. 170 s. ISBN 80-214-2655-1
[2]
JANÍČEK, P., ONDRÁČEK, E., VRBKA, J. Mechanika těles - pružnost a pevnost I. Brno: VUT Brno, 2004. 287 s. ISBN 80-214-2592-X
[3]
JANÍČEK, P., ONDRÁČEK, E., VRBKA, J. Mechanika těles – pružnost a pevnost II. Brno: VUT Brno, 2002. 262 s. ISBN 80-214-2214-9
[4]
KAPLÁNEK, A., PTÁČEK, P. Přeprava nákladu v silniční dopravě. Brno: Akademické nakladatelství Cerm s.r.o., 2002. 112 s. ISBN 80-7204-257-2
[5]
LEINVEBER, J., VÁVRA, P. Strojnické tabulky čtvrté doplněné vydání. Úvaly: ALBRA – pedagogické nakladatelství, 2008. 914 s. ISBN 978-80-7361-051-7
[6]
VLK, F. Podvozky motorových vozidel, Brno: Kontakt, 2006. 464 s. ISBN 80-239-6464-X
- 50 -
Internetové zdroje [7]
Hustota a pórovitost dřeva. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, [online].[cit. 2008-03-08]. Dostupné na WWW:
[8]
Charakteristiky dřevin. Dřevocentrum. [online]. [cit. 2008-03-08]. Dostupné na WWW: < http://drevo.celyden.cz/charakteristiky-drevin>
[9]
Katalog – kluzná pouzdra. SKF. [online]. [cit. 2008-04-12]. Dostupné na WWW:
[10]
Katalog - mazací technika. M&V. [online]. 2004-2008 [cit. 2008-04-07]. Dostupné na WWW:
[11]
Oplen automobilový pevný s točnicí. TMW a.s. [online]. [cit. 2008-02-10]. Dostupné na WWW:
[12]
Oplenový přívěs Lesotandem FT-14. Agama a.s. [online]. 2008. [cit. 2008-02-10]. Dostupné na WWW:
[13]
Oplenový přívěs WILD. ZLT auto a.s. [online]. 2003-2007. [cit. 2008-02-10]. Dostupné na WWW:
[14]
Technická pryž - silentbloky. Fram s.r.o. [online]. [cit. 2008-04-17]. Dostupné na WWW:
[15]
Umikov PO 2.18. UMIKOV CZ s.r.o. [online]. [cit. 2008-02-10]. Dostupné na WWW:
[16]
Výběr materiálů a odvozených parametrů. Technická univerzita v Liberci. [online]. 2007 [cit. 2008-04-17]. Dostupné na WWW:
[17]
Výroční zprávy-rok 2006.Ústav pro hospodářskou úpravu lesů.. [online]. 2003 [cit. 2008-02-08]. Dostupné na WWW:
- 51 -
10
Seznam použitých zkratek a symbolů
Symbol
Název
a
zrychlení
F
síla
[N]
g
tíhové zrychlení
m.s-2
Název jednotky
m.s-2
metr za sekundu na druhou newton metr za sekundu na druhou
l M
koeficient bezpečnosti délka moment síly
[m] [Nm]
metr newtonmetr
m
hmotnost
[kg]
kilogram
p q Re S
tlak liniové zatížení mez pružnosti plocha poměrná deformace
[Pa] [N] [Pa]
pascal newton na metr pascal Metr čtvereční
k
ε µ σ τ
11
Jednotka
součinitel adheze normálové napětí smykové napětí
Jiné užité jednotky
Roměr SI
[kg.m.s-2]
[-] [kg.m2.s-2] [t]=1000[kg]; tuna [kg.m-1.s-2] [kg.m-1.s-2]
[-] [-] [Pa]
pascal
[kg.m-1.s-2]
[Pa]
pascal
[kg.m-1.s-2]
Seznam příloh 1 – Napětí na rámu oplenu 2 – Model oplenu 3 – Montážní sestava ( formát A0) 4 – Svařovací sestava rámu (formát A0) 5 – Svařovací sestava nástavce (formát A3) 6 – Výrobní výkresy a podsestavy (formát A3, 4xA4)
- 52 -
Příloha 1
Obr. 40 Napětí na rámu oplenu
- 53 -
Příloha 1
Obr. 41 Napětí na rámu oplenu – detail
- 54 -
Příloha 2
- 55 -
Příloha 2
- 56 -
Příloha 2
- 57 -
