ramenový nosič kontejnerů, legislativa, dynamická simulace, pevnostní analýza, metoda konečných prvků

BRNO 2016

ABSTRAKT

ABSTRAKT Tato diplomová práce se zabývá návrhem kontejnerového nosiče s výměnnými nástavbami do maximální technické hmotnosti 3000 kg. V úvodu práce je provedena kritická rešerše obdobných zařízení a následné posouzení zařízení podle platné legislativy. Pro výpočet zátěžových stavů byla použita dynamická simulace. Z výsledků simulace byli stanoveny okrajové podmínky, které byli dále použity pro výpočet pevnostní analýzy metodou konečných prvků (MKP). Součástí práce je výkresová dokumentace výsledného řešení.

KLÍČOVÁ SLOVA ramenový nosič kontejnerů, legislativa, dynamická simulace, pevnostní analýza, metoda konečných prvků

ABSTRACT This thesis deals with the design of a container carrier with interchangeable superstructures up to 3000 kg of technical weight. The introduction renders a critical review of similar devices and consecutive review of the device in terms of legislative matters. A dynamic simulation was used to calculate the loaded states. The outcome of the simulation was used to set the border conditions, which were then used for strength analysis calculations using finite element method (FEM). Blueprints of the final design are a part of the thesis.

KEYWORDS container, hook lift, dynamic simulation, legislation finite element method, stress analysis

BRNO 2016

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE ŠÁLEK, P. Kontejnerový nosič. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2016. 51 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Jaroslava Kašpárka, Ph.D.

BRNO 2016

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že tato práce je mým původním dílem, zpracoval jsem ji samostatně pod vedením Ing. Jaroslava Kašpárka, Ph.D. a s použitím literatury uvedené v seznamu.

V Brně dne 27. května 2016

…….……..………………………………………….. Bc. Pavel Šálek

BRNO 2016

PODĚKOVÁNÍ

PODĚKOVÁNÍ Rád bych vyjádřil poděkování Ing. Jaroslava Kašpárka, Ph.D. za veškeré rady, poznatky a bezproblémovou komunikaci při vytváření závěrečné diplomové práce. Dále bych chtěl poděkovat firmě Šálek s.r.o. za poskytnutí potřebných studijních materiálů a možnost zkonstruování prototypu kontejnerového nosiče.

BRNO 2016

OBSAH

OBSAH Úvod ......................................................................................................................................... 11 1

Typové rozdělení kontejnerových nosičů ......................................................................... 12 1.1

Jednoramenné traktorové návěsy ............................................................................... 12

1.1.1

Nosiče kontejnerů s pevným ramenem ............................................................... 13

1.1.2

Varianta s teleskopickým ramenem .................................................................... 13

1.2

Ramenové nosiče kontejnerů ..................................................................................... 14

1.3

Kontejnerové nosiče pro bioodpady .......................................................................... 15

1.4

Kontejnerové nástavby .............................................................................................. 16

2

Posouzení zařízení z hlediska provozu ............................................................................. 17

3

Konstrukce kontejnerového nosiče AKN-3000 ................................................................ 18

4

3.1

Rám ............................................................................................................................ 19

3.2

Pracovní rám .............................................................................................................. 20

3.2.1

Hákový manipulátor ........................................................................................... 20

3.2.2

Výklopný rám ..................................................................................................... 21

3.3

Sklopné podpěry ........................................................................................................ 22

3.4

Brzdová soustava ....................................................................................................... 22

3.5

Osvětlení a výstražné prvky ....................................................................................... 23

3.5.1

Osvětlení kontejnerového nosiče ........................................................................ 23

3.5.2

Výstražné prvky nástavby .................................................................................. 24

3.6

Hydraulický okruh ..................................................................................................... 25

3.7

Ovládání sklápěcího mechanismu ............................................................................. 27

Rozbor silových účinků působících na rám podvozku ..................................................... 28 4.1

Model pro silovou analýzu dynamickou simulací ..................................................... 28

4.2

Stanovení zátěžových stavů ....................................................................................... 29

4.2.1

Stahování kontejneru .......................................................................................... 29

4.2.2

Vyklápění kontejneru ......................................................................................... 29

4.3

4.3.1

Simulace natahování kontejneru ......................................................................... 31

4.3.2

Simulace vyklápění kontejneru .......................................................................... 32

4.4 5

Simulace chodu kontejnerového nosiče ..................................................................... 30

Shrnutí výsledků dynamické simulace ...................................................................... 34

Pevnostní analýza rámu přívěsného vozíku...................................................................... 35 5.1

Vlastnosti použitého materiálu .................................................................................. 35

5.2

Tvorba modelů pro pevnostní analýzy....................................................................... 36

5.2.1

Model rámu ........................................................................................................ 36

5.2.2

Model hákového manipulátoru ........................................................................... 37

BRNO 2016

9

OBSAH

5.2.3

Model rámu pro mkp .......................................................................................... 38

5.2.4

Model hákového manipulátoru pro mkp ............................................................ 39

5.3

Okrajové podmínky ................................................................................................... 40

5.3.1

Použité vazby...................................................................................................... 40

5.3.2

Zatížení ............................................................................................................... 42

5.4

Vyhodnocení výsledků pevnostních analýz ............................................................... 44

5.4.1

Výsledná napětí na rámu kontejnerového nosiče ............................................... 44

5.4.2

Výsledná napětí na rámu hákového manipulátoru ............................................. 46

5.5

Shrnutí výsledků pevnostních analýz ........................................................................ 47

Seznam použitých zkratek a symbolů ...................................................................................... 50 Seznam příloh ........................................................................................................................... 51

BRNO 2016

TYPOVÉ ROZDĚLENÍ KONTEJNEROVÝCH NOSIČŮ

ÚVOD Kontejnerový nosič AKN-3000 je zařízení sloužící primárně k přepravě a manipulaci s kontejnery nebo kontejnerovými nástavbami, jejichž maximální hmotnost nepřesahuje 2000 kg. Nosič je ovládaný z místa řidiče malotraktoru za pomocí hydrauliky. Funkcí nosiče je nakládání, odvoz nebo vysypání kontejnerů. V úvodu diplomové práce je věnováno volbě správné koncepce zařízení vhodné pro použití v kombinaci s malotraktory vyráběných firmou Šálek s.r.o. Vzhledem k tomu že se předpokládá provoz po běžných pozemních komunikacích, bude kontejnerový nosič následně posuzován z hlediska provozu v souladu s platnou legislativou. Po rešeršní a posudkové části diplomové práce je dále do detailu popsána zvolená koncepce kontejnerového nosiče. Tato kapitola se věnuje detailnímu popisu rámu, použitých komponentů, návrhu hydraulického okruhu nebo v poslední řadě umístění výstražných prvků dle platné legislativy. Další část bude věnována dynamické simulaci sestavy kontejnerového nosiče prostřednictvím programu MSC. Adams. Dosažené hodnoty vzniklé od zatížení kontejnerového nosiče budou v závěru využity pro pevnostní analýzu vybraných rámů v prostředí programu NX-IDEAS. Tato diplomová práce byla vytvořena ve spolupráci s firmou Šálek s.r.o., zabývající se výrobou malotraktorů a jejich příslušenstvím.

Obrázek 1 Kontejnerový nosič AKN-3000 od firmy Šálek s.r.o.[8]

BRNO 2016

11


1 TYPOVÉ ROZDĚLENÍ KONTEJNEROVÝCH NOSIČŮ Na našem i zahraničním trhu se lze setkat s řadou výrobců zabývajících se výrobou kontejnerových nosičů. Tyto nosiče jsou především využívány jako kontejnerové nástavby, ale mohou sloužit také jako přípojné vozidlo za nákladní automobily, traktory nebo další dopravními prostředky, jenž jsou vybaveny tažným zařízením. Využití kontejnerů je dnes moderním a velmi ekonomickým způsobem přepravy. Kontejnerové nosiče společně s různorodými a často speciálními kontejnery dnes nabízejí velmi efektivní způsob využití vozidla, neboť na jednom nosiči lze bez jakýchkoliv dalších úprav vozit větší množství kontejnerů s různými typy nástaveb. Uplatnění lze nalézt ve stavebnictví, komunálních službách, silniční údržbě i v jiných průmyslových odvětvích. Výhodou tohoto druhu přepravy je možnost plnění kontejneru bez účasti přepravního vozidla, z čehož vyplívá, že v době plnění jednoho kontejneru může být jiný kontejner převážen na další pracoviště. [12]

1.1 JEDNORAMENNÉ TRAKTOROVÉ NÁVĚSY Jednoramenné, neboli hákové nosiče kontejnerů, jsou dnes nejjednoduššími a nejpoužívanějšími variantami návěsů. Na trhu lze nalézt více konstrukčních variant ramene nebo pohonu hydraulického okruhu nástavby. Traktorové návěsy jsou obvykle konstrukčně uzpůsobeny pro maximální rychlost 40 km/hod. Podle maximální nosnosti od 2 do 27 tun můžeme traktorové návěsy rozdělit na jednonápravové, dvounápravové a třínápravové. Jednotlivé nápravy bývají od hmotnosti 7 tun zpravidla vybaveny listovými péry nebo pneumatickými tlumiči. Hákový kontejnerový nosič je určen k přepravě, nakládání, skládání a vyklápění různých sypkých hmot, biologického odpadu, stavebního materiálu atp. Hlavní předností tohoto druhu nosiče je poměrně jednoduchá konstrukce, díky které má návěs menší hmotnost a může tak přepravovat náklad vyšší hmotnosti. Výhodou tohoto druhu nosiče je možnost natahovat nebo vtahovat kontejner do hůře přístupných míst. Při natahování nejsou kladeny příliš velké požadavky na umístění kontejneru. Díky hákovému manipulátoru lze natahovat kontejnery i z různě nerovného nebo nakloněného terénu. Další předností je schopnost rychlého překládání kontejneru na návěs bez dalších pomocných zařízení. Ovládání hákových nosičů kontejneru je u všech následujících konstrukčních variant obdobné. Nevýhodou těchto druhů nosičů je náklon nástavby během natahování.

BRNO 2016


1.1.1 NOSIČE KONTEJNERŮ S PEVNÝM RAMENEM Mechanismus nosiče kontejneru je specifický uložením ramene s hákem a rámem nosiče. Konstrukce uložení bývá obvykle realizována za pomocí čepů opatřených kluznými ložisky mezi ramenem a ramenem háku. Tento typ konstrukce je vhodný spíše pro nosiče s nižší celkovou hmotností. Ovládání tohoto typu nosiče bývá umožněno háky, jejichž spínáním a rozpojování určíme jakou funkci (sklápění nebo natahování nákladu) bude nosič v daný moment plnit. Pro ovládání nosiče je potřeba pouze jeden hydraulický okruh. Pohon kontejnerového nosiče je zajištěn přímočarým lineárním hydromotorem, který je zapojen do hydraulického okruhu prostřednictvím dvou hadicových rychlospojek. Výhodou tohoto řešení je jednodušší konstrukce a menší množství hydraulicky ovládaných částí, což tuto variantu dělá méně náchylnou k poruchám a k poškozením. Další výhodou je nižší pořizovací cena a jednodušší údržba. Nevýhodou tohoto nosiče je jeho určení pouze pro jednu nominální délku kontejneru.

Obrázek 2 Kontejnerový nosič s pevným ramenem [7]

1.1.2 VARIANTA S TELESKOPICKÝM RAMENEM Varianta kontejnerového nosiče s teleskopickým ramenem se od předchozího kloubového kontejnerového nosiče liší pouze v konstrukci hákového manipulátoru. Hákový manipulátor je zde složen ze dvou ocelových uzavřených profilů s kluzným uložením, které jsou vloženy do sebe. Uvnitř těchto profilů se nachází přímočarý hydromotor, který ovládá výsuv hákového manipulátoru tak, jak je třeba. Výhodou tohoto typu nosiče je použití kontejnerů a kontejnerových nástaveb více délek. Díky teleskopickému rameni hákového manipulátoru je nosič vhodnější pro vyšší hmotnosti kontejnerů a kontejnerových nástaveb. Při natahování je hákový manipulátor zasunut tak, aby vznikl co nejmenší úhel naklonění a co

BRNO 2016

13


nejmenší možné zatížení, způsobené natahováním kontejneru. Jeho nevýhodou jsou vyšší pořizovací náklady, náročnější údržba, větší konstrukční složitost, vyšší hmotnost a složitější hydraulická výbava, která může způsobovat náchylnost k poruše.

Obrázek 3 Kontejnerový nosič s teleskopickým ramenem [7]

1.2 RAMENOVÉ NOSIČE KONTEJNERŮ Ramenové nosiče kontejnerů jsou tvořeny dvojicí ramen po bocích návěsu. Nosiče jsou určeny pro přepravu kontejnerů vanového typu, u kterého je požadováno, aby při nakládání či vykládání byl neustále ve vodorovné poloze. Uchycení kontejneru při překládání je řešeno pomocí řetězů. Každé rameno je tvořeno dvěma částmi, pouzdrem a výsuvnou částí. Uvnitř ramene se nachází přímočarý hydromotor, který má za úkol vysouvat rameno a tím manipulovat s kontejnerem pro jeho dodatečné umístění jak na nástavbu, tak na místo skládky kontejneru. Většina konstrukce je tvořena ze svařovaných plechů nebo z hutních polotovarů. Výhodou tohoto provedení je vyšší schopnost manipulace při natáčení kontejneru. Limitem u tohoto druhu nosiče může být pouze možnost použití kontejnerů, jejichž šířka nepřesahuje šířku ramen nosiče.

BRNO 2016


Obrázek 4 Dvouramenný kontejnerový nosič [9]

1.3 KONTEJNEROVÉ NOSIČE PRO BIOODPADY U kontejnerových nosičů určených pro převoz bioodpadu se počítá s nakládáním objemnějších, ale méně hmotných nákladů jako jsou větve, tráva, atp. Výrobou kontejnerových nosičů určených pro převoz bioodpadu se zabývá tuzemská firma Wisconsin. Nevýhodou nosiče je možnost použití pouze jednoho typu kontejnerové nástavby a poměrně složité řešení konstrukce s použitím velkého množství hydraulických prvků, které mohou snížit spolehlivost stroje. Nosnost tohoto typu nosiče je do 650 kg. Díky konstrukci lze nakládat kontejnery bez naklápění a nežádoucího vysypávání ve vodorovné poloze. Pro zákazníky je však tento typ kontejnerového nosiče cenově dostupnější variantou.

Obrázek 5 Systém nosiče kontejnerů BIOGREEN [10]

BRNO 2016

15


1.4 KONTEJNEROVÉ NÁSTAVBY Ramenové nosiče viz Obrázek 6 a hákové nosiče (viz Obrázek 7) jsou dnes nejpoužívanější variantou nástavby nákladních automobilů. U nástaveb, stejně jako u nosičů typu přípojného vozidla, existuje více druhů konstrukčního řešení ramene a variant hydraulického pohonu nástavby.

Obrázek 6 Nástavba s dvouramenným kontejnerovým nosičem [7] Nástavby tohoto druhu jsou vhodnější pro transport nákladu na větší vzdálenosti. Rychlost vozidla s kontejnerovou nástavbou je oproti traktorovým nosičům 80 km/h. Maximální nosnost těchto nástaveb se obvykle pohybuje v rozmezí od 2,5 tun až po 30 tun. Kontejnerové nosiče lze dále upravovat dle požadavků uživatele a dosáhnout tak vysoké efektivity a využití nákladního automobilu.

Obrázek 7 Nástavba s hákovým nosičem kontejneru [7] BRNO 2016


2 POSOUZENÍ ZAŘÍZENÍ Z HLEDISKA PROVOZU Kontejnerový nosič AKN-3000 je primárně určen pro přepravu materiálu po veřejné komunikaci, jeho provoz se tedy řídí podle nařízení zákona č. 56/2001 Sb., o podmínkách provozu na pozemních komunikacích [3] a vyhláškou Ministerstva dopravy č. 341/2014 Sb., schvalování technické způsobilosti a o technických podmínkách provozu vozidel na pozemních komunikacích [5]. Nově jsou traktory zemědělské nebo lesnické traktory včetně jejich přípojných vozidel jsou podle vyhlášky Ministerstva dopravy č. 341/2014 Sb. zařazeny do kategorie zvláštních vozidel. Ve srovnání s předešlou vyhláškou, je u stávající použita nová právní úprava, u které dochází ke změně názvů jednotlivých druhů hmotností. Tab. 2.1 Vysvětlení pojmů vyhlášky Ministerstva dopravy č.341/2014 Sb.

Provozní hmotnost

Je to hmotnost nenaloženého vozidla v pohotovostním stavu s karoserii včetně spojovacího zařízení (vozidlo je včetně jeho náplní, chladicí kapaliny, oleje naplněno nejméně s 90% paliva a 100% ostatních náplní, nářadí, rezervního kola a řidiče)

Největší povolená hmotnost

Je to nejvyšší celková povolená hmotnost vozidla včetně jeho nákladu.

Největší povolená hmotnost na nápravu

Je to nejvyšší povolené zatížení jedné nápravy

Podle směrnice 2003/37/ES, je náš kontejnerový nosič AKN-3000 zahrnut do kategorie s označením R2, která platí pro přípojná vozidla, u nichž technicky přípustných hmotností na nápravu nepřevyšuje 3500 kg. Z hlediska použitého traktoru je velmi důležitý ukazatel zatížení či hmotnost na řízené nápravě. Tato váha nesmí být v celém rozsahu od provozní až po nejvyšší povolenou hmotnost menší než 20% hmotnosti traktoru. Pro provoz jednonápravového návěsu na pozemní komunikaci je tedy nutné splňovat nejvyšší povolenou šířku vozidla 2550 mm a výšku 4000 mm. Celková délka soupravy motorového vozidla s návěsem nesmí přesahovat délku 18750 mm.

BRNO 2016

17

KONSTRUKCE KONTEJNEROVÉHO NOSIČE AKN-3000

3 KONSTRUKCE KONTEJNEROVÉHO NOSIČE AKN-3000 Konstrukce kontejnerového nosiče AKN-3000 je primárně navržena a dimenzována pro malotraktory firmy Šálek s.r.o. Malotraktor jako takový není vhodný pro montáž nosičů nástavbového typu. Po předchozí rešeršní části se jako nejvýhodnější pro daný typ malotraktoru jeví konstrukce jednoramenného kontejnerového nosiče s pevným hákovým manipulátorem. Většina částí konstrukce je vyráběna výrobcem přímo ve firmě. Při konstruování některých částí a tvarů nosiče se vycházelo z již hotových produktů výrobce, např. uložení oje, které je obdobné i u třístranně sklápěcího návěsu ANS-2800 [8]. Kontejnerový nosič je určen pro přepravu kontejnerů, jejichž celková hmotnost včetně hmotnosti nákladu nepřevyšuje 2 tuny. Pro natahované nástavby platí konstrukční omezení délky, šířky podélníků a v poslední řadě výšky oka. Mezi hlavní části kontejnerového nosiče AKN-3000 patří, viz Obrázek 8 – rám, podávací rameno háku, brzdová soustava, sklopné podpěry, osvětlení a výstražné prvky, hydraulická výbava a ovládání sklápěcího mechanismu.

2

3

1

4 5 7 6

Obrázek 8 Popis částí kontejnerového nosiče: 1- rám nosiče, 2- pracovní rám, 3- Brzdová soustava, 4- sklopné podpěry, 5- osvětlení a výstražné prvky, 6- hydraulický okruh, 7ovládání sklápěcího mechanismu

BRNO 2016


3.1 RÁM Konstrukce rámu v našem případě tvoří základní nosný prvek kontejnerového nosiče. Jeho hlavním úkolem je zachytit veškeré silové účinky vznikající při provozu zařízení, tzn. nakládání, převoz, skládání nebo vysypávání kontejneru. Rám je z celé této konstrukce nejnamáhavějším prvkem a je nutné zajistit dostatečnou tuhost a pevnost zařízení během jeho provozu. Svařenec rámu je převážně tvořen z hutních polotovarů, jejichž využití je jednoduché a zejména ekonomické. Zbytek konstrukce tvoří výpalky plechů různých tlouštěk a rozměrů, které jsou posléze ohýbány do potřebných tvarů. Použitý materiál u hutních polotvarů je S235JR, u plechových dílů pak S235JRG2. Na hlavní podélné nosníky rámu (1) jsou použity silnostěnné profily obdélníkového průřezu 120×60×6 mm, na jejichž koncích je navařena ložisková jednotka, v níž se nachází uložení pracovního rámu. Na přední části rámu se nachází silnostěnný profil čtvercového profilu 100×6 mm, který dále ústí do hlavního uzlu (2). Hlavní uzel (2) je tvořen z plechových dílů o tloušťce 6 mm a má za úkol přenést zatížení vyvozené přímočarými hydromotory. Vzhledem k tomu, že v tomto místě dochází ke vzniku vysokého zatížení a celá tato konstrukce je poměrně složitá, bude dále zatížení simulováno za pomocí programu NXIDEAS.

4

3

Obrázek 9 Popis částí rámu kontejnerového nosiče: 1- podélník, 2- hlavní uzel, 3- dosedací lůžko pro kontejner, 4- dosedací lůžko pro rameno podávacího háku

BRNO 2016

19


3.2 PRACOVNÍ RÁM Pracovní rám plní na kontejnerovém nosiči více funkcí najednou. Hlavní funkcí je natahování a vyklápění kontejneru. Další, sekundární funkcí, je pojištění kontejneru proti pohybu během přepravy. Pracovní rám je rozdělen na dva díly, a to na rám hákového manipulátoru viz Obrázek 11 a rám výklopný viz Obrázek 12.

Obrázek 10 Pracovní rám

3.2.1 HÁKOVÝ MANIPULÁTOR Hákový manipulátor slouží primárně pro manipulaci s kontejnerovými nástavbami. Sekundární funkcí je zajištění nástavby v průběhu přepravy. Pojištění nástavby je zajištěno zámkem tak, aby během manipulace s kontejnerem nebyl nutný zásah obsluhy. Aby zámek plnil svou funkci, je opatřen závažím, které během natahování kontejneru zámek otevře, při přepravě uzavře a zajistí v uzavřené poloze. Samotný hák hákového manipulátoru je vytvořen z plechového dílu tloušťky 20 mm a je přivařen k rameni manipulátoru. Zbylá část hákového rámu je tvořena z plechů tloušťky 6 mm a dvou silnostěnných hutních polotovarů obdélníkového průřezu o profilu 140×80×6 mm. Na rámu hákového manipulátoru se dále nachází uložení přímočarých hydromotorů a uložení pro hřídel, která zajišťuje rotační spojení hákového a výklopného rámu.

BRNO 2016


Obrázek 11 Hákový manipulátor

3.2.2 VÝKLOPNÝ RÁM Výklopný rám má dvě funkce. Primárně slouží jako opora pro vyklápění a natahování, sekundárně jako zajištění kontejnerové nástavby vůči náklonům, převracení a dalším nežádoucím vlivům, díky kterým by mohl kontejner vyskočit z lůžka. Výklopný rám kontejnerového nosiče je tvořen převážně z hutních polotovarů se silnostěnnými profily obdélníkového průřezu 120×60×6 mm. Uložení výklopného rámu je z obou stran realizováno za pomocí domků opatřenými kluznými ložisky umožňujícími rotační spojení s hřídelí v rámu kontejnerového nosiče.

Obrázek 12 Výklopný rám

BRNO 2016

21


3.3 SKLOPNÉ PODPĚRY Sklopné podpěry slouží především k odlehčení pracovního rámu od zatížení vznikajícího při natahování a vyklápění kontejneru. Zatížení, které je při natahování vyvozeno, se dále přenáší přes nápravu do oje návěsu, kde začne působit opačným směrem, než je požadováno.

Obrázek 13 Sklopné podpěry

3.4 BRZDOVÁ SOUSTAVA Návěs má standardně dle [5] celkovou hmotnost 3000 kg. Brzdy kontejnerového nosiče v této dané hmotnostní kategorii lze použít nájezdové, a to v provedení jako kotoučové nebo bubnové čelisťové. V našem případě je použito oje a bržděné kolové jednotky od firmy KNOTT s.r.o. Tyto kolové jednotky jsou určeny pro maximální rychlost návěsu do 25 km/h a celkové hmotnosti vozidla do 3000 kg. Montáž kolových jednotek je provedena navařením na samotný rám kontejnerového nosiče. Pro kontejnerový nosič byla dle [6] zvolena bržděná kolová jednotka označení Bremsstummel 300×60 viz Obrázek 15. Ovládání těchto kolových jednotek je mechanické prostřednictvím rozevíracího klíče. Pro kontejnerový nosič byla zvolena nájezdová brzda vhodná pro montáž na oje čtvercového profilu. Zvolená nájezdová brzda typu KRV30-B (viz Obrázek 14), je vhodná pro maximální přípustnou celkovou hmotnost 1600-3000 kg.

BRNO 2016


Obrázek 14 Nájezdová brzda[6]

Obrázek 15 Brzdová kolová jednotka [6]

3.5 OSVĚTLENÍ A VÝSTRAŽNÉ PRVKY Typ osvětlení a výstražných prvků a jejich umístění na kontejnerovém nosiči se řídí podle předpisu EHK-OSN č. 48. V našem případě je nutné osvětlení a umístění výstražných prvků řešit pro kontejnerový nosič a samotnou nástavbu zvlášť.

3.5.1 OSVĚTLENÍ KONTEJNEROVÉHO NOSIČE Pro osvětlení zadní a přední části kontejnerového nosiče byl rám doplněn o lišty vyrobené z plechových dílů. Tyto lišty slouží pro rozmístění osvětlení a výstražných prvků ve vzdálenostech daných předpisem EHK-OSN č. 48. Pro osvětlení zadní části je použita zadní obrysová svítilna kategorie R, brzdová svítilna kategorie S1, S2, směrová svítilna kategorie 2a, 2b a osvětlení SPZ kategorie L00. Vzhledem k tomu, že celková délka nosiče nepřekračuje 6 m a není nutné doplňovat konstrukci o boční svítilny, je po obou stranách nosič doplněn bočními odrazkami (viz Obrázek 16). Na přední liště nosiče jsou umístěny přední obrysové svítilny kategorie A. Přípojná vozidla pohybující se menší rychlostí než 25 km/h musí být podle předpisu vybavena výstražným trojúhelníkem. V případě provozu kontejnerového nosiče bez nástavby je nutné umístit výstražný trojúhelník do držáku umístěného na rámu stroje.

BRNO 2016

23


Obrázek 16 Osvětlení kontejnerového nosiče

3.5.2 VÝSTRAŽNÉ PRVKY NÁSTAVBY Nástavba je podle předpisů v přední části opatřena předními odrazkami kulatého tvaru kategorie IA, IB. Na zadní části je umístěn snímatelný výstražný trojúhelník (viz Obrázek 17).

Obrázek 17 Výstražný trojúhelník kontejneru

BRNO 2016


3.6 HYDRAULICKÝ OKRUH Pohon kontejnerového nosiče bude zajištěn hydraulickou soustavou malotraktoru. Malotraktor je v zadní části vybaven rychlospojkami, které slouží jako výstup pro pohon přídavného příslušenství. Hydraulická kapalina je dále distribuována za pomoci hydraulického a mechanicky ovládaného rozvaděče do jednotlivých okruhů. Soustava je vybavena hydrogenerátorem o jmenovitém tlaku 120 barů a průtoku 11 m3/ot. Tyto hodnoty se liší podle typu čerpadla, kterým je malotraktor vybaven. Vzhledem k tomu že jde o zařízení, které slouží pro zvedání břemene, je nutno hydraulický okruh doplnit o hydraulické zámky. Tyto hydraulické zámky mají v případě defektu hadice nebo jiného typu nehody zabránit pádu břemene. Schéma celého okruhu se nachází v příloze č. 1

Obrázek 18 Uložení přímočarých hydromotorů v rámu stroje

PŘÍMOČARÝ HYDROMOTOR Hlavní pohyb našeho stroje je vykonáván za pomoci dvou přímočarých hydromotorů o vnitřním průměru 80 mm a o celkovém zdvihu 1000 mm. Tyto hydromotory byly zvoleny především proto, že firma tento typ hydromotoru vyrábí ve velkých sériích a jedná se tedy o ekonomicky výhodný krok. Materiál použitý pro výrobu pístnice je chromovaná tyč z oceli 20MnV6 dle ČSN EN 10027-1. BRNO 2016

25


KONTROLA VHODNOSTI PŘÍMOČARÉHO HYDROMOTORU Dále se budeme věnovat kontrole daného přímočarého hydromotoru použitého na kontejnerovém nosiči. Vzhledem k tomu, že hydromotory jsou poměrně větších rozměrů, je dobré nezanedbat jejich celkový objem potřebný k vysunutí. Objem přímočarých hydromotorů pak porovnáváme s nejnižším potřebným objemem v nádrži malotraktoru.

VÝPOČET POTŘEBNÉHO OBJEMU 𝑉1 = 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑟𝐻𝑀 2 ∙ ℎ 𝑉2 = 2 ∙ 𝜋 ∙ (𝑟𝐻𝑀 − 𝑟𝑝 )2 ∙ ℎ 𝑉𝐶 = 𝑉1 − 𝑉2 = 7,54 ∙ 10−3 𝑚3 = 7,54 𝑙 Kde: 𝑉1 𝑉2 𝑉𝑐 𝑟𝐻𝑀 𝑟𝑝 H

[𝑚3 ] [𝑚3 ] [𝑚3 ] [m] [m] [m]

- Objem hlavní komory PČHM - Objem vedlejší komory PČHM - Celkový potřebný objem - Poloměr PČHM - Poloměr pístní tyče - Velikost zdvihu

Pro správnou funkci kontejnerového nosiče je potřeba nejméně 7,54 l. Plná nádrž hydraulické kapaliny má objem 20 litrů, pro správnou funkci malotraktoru je potřeba nejméně 5 litrů hydraulické kapaliny. Z toho vyplívá, že úbytek objemu potřebného pro výsuv hydromotoru nijak neovlivní další funkce malotraktoru.

VÝPOČET MAXIMÁLNÍ TEORETICKÉ SÍLY 𝑝𝐻𝐺 =

𝐹𝐻𝑀 => 𝐹𝐻𝑀 = 𝑝𝐻𝐺 ∙ 2 ∙ 𝑆𝐻𝑀 𝑆𝐻𝑀

𝐹𝐻𝑀 = 120 ∙ 105 ∙ 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑟𝐻𝑀 2 = 120637 𝑁 Kde: 𝑝𝐻𝐺 𝐹𝐻𝑀 𝑆𝐻𝑀

[Pa] [N] [𝑚2 ]

BRNO 2016

- Tlak hydrogenerátoru - Teoretická síla obou hydromotorů - Obsah hydromotoru


Výsledky výpočtu maximální teoretické síly budeme dále srovnávat s výsledky dynamické simulace z programu MSC. ADAMS v kapitole 4.3. Síla dosažená ve vazbě RÁM – PČHM pro správnou funkci nesmí přesahovat výše uvedenou vypočítanou hodnotu FHM.

3.7 OVLÁDÁNÍ SKLÁPĚCÍHO MECHANISMU Kontejnerový nosič, jak už bylo uvedeno výše v kapitole č. 3, má dvě funkce. První funkcí je natahování a druhou vyklápění kontejneru. Tato funkce je zajištěna za pomoci mechanického ovládání. Mechanismus ovládání je pevně přichycen vůči hlavnímu rámu, jeho součástí je pákový mechanismus se dvěma polohami, na kterém je napojeno táhlo. Na konci táhla se nachází šestihran opatřený distanční tyčí obdélníkového průřezu, která má za úkol zajistit vždy jen jeden ze zajišťovacích háků, jenž jsou součástí pracovního rámu. Pracovní rám (viz. Kap. 3.2) je složen z rámu hákového a vyklápěcího. Tyto rámy mohou být vzájemně vůči sobě rozpojeny nebo spojeny díky zajišťovacím hákům. Pro variantu vyklápění jsou tyto dva rámy vůči sobě spojeny a jako celek se vyklápí společně s kontejnerem. Pro variantu natahování je výklopný rám s rámem hákového manipulátoru rozpojen a je spojen s rámem kontejnerového nosiče. Tímto se hákový manipulátor uvolní a je umožněno natahování kontejnerové nástavby.

Obrázek 19 Ovládání sklápěcího mechanismu

BRNO 2016

27

ROZBOR SILOVÝCH ÚČINKŮ NA RÁM PODVOZKU

4 ROZBOR SILOVÝCH ÚČINKŮ PŮSOBÍCÍCH NA RÁM PODVOZKU Na rám podvozku působí od tíhy kontejneru různé kombinace zatížení. Pro tento pohyblivý mechanismus je tedy nutné provést dynamickou simulaci, díky které získáme velikosti reakčních sil. Pro vytvoření simulace použijeme prostředí softwaru MSC.Adams. Při provádění analýzy kontejnerového nosiče se zaměříme především na působiště lineárních hydromotorů s rámem kontejnerového nosiče a na působení síly od kontejneru na hák hákového manipulátoru. Pro získání analýzy je nutno vytvořit model kontejnerového nosiče.

Obrázek 20 Model pro silovou analýzu v programu MSC. Adams

4.1 MODEL PRO SILOVOU ANALÝZU DYNAMICKOU SIMULACÍ Vytvoření modelu kontejnerového nosiče v programu MSC. Adams bylo dosaženo za pomocí již hotových modelů z programu Solidworks. Pro zajištění správné funkce dynamické simulace bylo nutné sestavu kontejnerového nosiče v programu Solidworks nejprve rozdělit na jednotlivé podsestavy. V tomto případě podsestavy vzájemně vůči sobě konají translační nebo rotační pohyb. Dále byly jednotlivé části převedeny do příslušného formátu podporovaného v programu MSC. Adams a vyexportovány. Při převodu na formát Parasolid s příponou X_T, byli zachovány veškeré fyzikální vlastnosti použitých materiálů a nebylo je dále nutné přiřazovat jednotlivým částem. Fyzikální vlastnosti jednotlivých podsestav získaných z programu Solidworks (viz. Tabulka 1).

BRNO 2016


Tabulka 1 Fyzikální vlastnosti importovaných podsestav

Momenty setrvačnosti [kg*mm2] Rám Hákový manipulátor Výklopný rám Kontejner Sklopné podpěry Vodící rolny Pojezd kontejneru

Hmotnost [kg] 333,3 109,21 51,56 278 15,53 18 6,24

Ixx Iyy Izz 318072619 77579903 254403365 62373951 45060482 20256038 2969695 10242920 7513661 558997886 615495533 94433592 36076528 3656783 34760164 29970 29692 29692 11837 11837 5607

4.2 STANOVENÍ ZÁTĚŽOVÝCH STAVŮ Vzhledem k tomu, že kontejner má dvě funkce (vyklápění a natahování), je nutné tyto dva druhy dynamické simulace rozdělit a analyzovat působení sil v jednotlivých dílech pro každou funkci zvlášť. Hlavní pohyb modelu konají dva přímočaré hydromotory o velikosti zdvihu 1000 mm. 4.2.1 STAHOVÁNÍ KONTEJNERU Stahování kontejneru je prvním zátěžovým stavem, při kterém je kontejner stahován z kontejnerového nosiče na podložku. Při tomto zátěžovém stavu se snažíme analyzovat síly působící od přímočarých hydromotorů na rám nosiče a rám hákového manipulátoru. Dále se zaměříme především na působení sil ve vazbě kontejneru s hákovým manipulátorem. Pro tuto variantu vazbíme napevno rám, výklopný rám a sklopné podpěry napevno vůči podložce. Pro vodící rolny s podélníkem kontejneru a pro pojezd kontejneru s podložkou je použita funkce contact. Zatížení kontejneru je nasimulováno za pomoci funkce pointmass, kdy je doprostřed kontejnerové plochy umístěná síla o velikosti ekvivalentní maximální hmotnosti břemene 20000 N. 4.2.2 VYKLÁPĚNÍ KONTEJNERU Vyklápění materiálu z kontejneru je druhým zátěžovým stavem. Od předešlého zátěžového stavu se tento liší pouze změnou vazby mezi hákovým manipulátorem a výklopným rámem z rotační na pevnou. U tohoto zátěžového stavu se zaměříme především na působení síly mezi přímočarým hydromotorem a rámem kontejnerového nosiče. Velikost zatížení kontejneru je stejně jako u předešlého zátěžového stavu simulováno funkcí pointmass, silou o velikosti 20000 N

BRNO 2016

29


4.3 SIMULACE CHODU KONTEJNEROVÉHO NOSIČE Pro simulaci chodu nosiče byla stanovena pracovní doba na 30 sekund. Zjišťování sil na našem modelu lze provést za pomoci softwaru MSC. ADAMS v každém vlastním bodu konstrukce. Pro každý zátěžový stav byla vytvořena jedna simulace. Umístění kontrolních bodů je zpravidla tam, kde na modelu dochází ke kontaktu s podložkou, nebo u vzájemného spojení dvou dílů za pomocí vazby. V našem případě se zaměříme zejména na vazby, jejichž charakteristiky jsou popsané v Tabulka 2 a zobrazené na Obrázek 21.

Tabulka 2 Popis důležitých vazeb Umístění vazby Rám PČHM PČHM Hák. man Hák. man. Kontejner Vodící rolny Kontejner Pojezd kont. Zem

Druh vazby Rotační Rotační Sférická Contact Contact

Obrázek 21 Zobrazení důležitých vazeb, zleva: hákový manipulátor- kontejner, hákový manipulátor- PČHM, rám- PČHM, kontejner- vodící rolny

BRNO 2016


4.3.1 SIMULACE NATAHOVÁNÍ KONTEJNERU Při simulování zátěžového stavu natahování kontejneru (viz Obrázek 22), trvajícího přibližně 30 sekund, jsme získali grafy sil působících v místech měření. Místa měření jsou znázorněna v předešlé kapitole (viz Obrázek 21 Zobrazení důležitých vazeb, zleva: hákový manipulátor- kontejner, hákový manipulátor- PČHM, rám- PČHM, kontejner- vodící rolny. Pro lepší vykreslení křivky grafu bylo zvolen výpočtový krok 10000 za 20 sekund. Interval obsahuje všechny podstatné informace ohledně síly působící na kontrolovanou vazbu.

Obrázek 22 Natahování kontejneru v prostředí MSC. ADAMS

Obrázek 23 Graf velikosti síly působící ve vazbě Rám-PČHM

Obrázek 24 Graf velikosti síly působící ve vazbě Hákový manipulátor - Kontejner

BRNO 2016

31


Obrázek 25 Graf velikosti síly působící ve vazbě Vodící rolny – Kontejner

Grafy znázorňují velikosti sil vyvolané ve vazbách kontejnerového nosiče. V počáteční fázi měření můžeme zaznamenat prudké změny sil. Tyto změny vznikají během ustálení kontejnerové nástavby na podvozku kontejneru. Hodnoty pro nás nemají žádný vypovídající charakter a z tohoto důvodu je zanedbáme. Mírné kmitání křivek grafu je způsobeno pomalým kmitem kontejneru, který je zapříčiněn vazbou contact mezi vodící rolnou a kontejnerem. Obdobný případ posléze zaznamenáváme při kontaktu s podložkou. Viz Tabulka 3, jsou znázorněny odečtené hodnoty z úseků, kdy byla soustava v co nejvíce ustáleném stavu a hodnoty sil maximální.

Tabulka 3 Maximální hodnoty sil z 1. zátěžového stavu Umístění vazby Velikost síly [N] Rám PČHM 82904 PČHM Hák. man 82904 Hák. man. Kontejner 26236 Vodící rolny Kontejner 23750

4.3.2 SIMULACE VYKLÁPĚNÍ KONTEJNERU U druhého zátěžového stavu se budeme věnovat simulování vyklápění kontejneru. Zátěžový stav je zobrazen na Obrázek 26. Pro lepší průběh vykreslení jsme u tohoto případu zvolili výpočtový krok 15000 kroků za 25 sekund. Stejně jako u předchozího zátěžového stavu jsme získali grafy sil působících v místech měření.

BRNO 2016


Obrázek 26 Vyklápění kontejneru v prostředí MSC. ADAMS

Obrázek 27 Graf velikosti síly působící ve vazbě Hákový manipulátor - Kontejner

Obrázek 28 Graf velikosti síly působící ve vazbě Vodící rolny – Kontejner

Obrázek 29 Graf velikosti síly působící ve vazbě Rám – PČHM

BRNO 2016

33


Tabulka 4 Maximální hodnoty sil z 2. zátěžového stavu Umístění vazby Rám PČHM PČHM Hák. man Hák. man. Kontejner Vodící rolny Kontejner

Velikost síly [N] 74811 74811 20313 74234

4.4 SHRNUTÍ VÝSLEDKŮ DYNAMICKÉ SIMULACE Výsledky tabulek 3 a 4 jednotlivých zátěžových stavů byli srovnány a na jejich základě bylo rozhodnuto, pro který zátěžový stav se bude vytvářet pevnostní analýza rámu a rámu hákového manipulátoru v programu NX-IDEAS. Na základě výsledků byl zvolen 1. zátěžový stav viz hodnoty tab. 3, kdy dochází k natahování kontejneru. Pro pevnostní analýzu rámu byl zvolen stav, který nastává v čase 1 sekundy. V tomto okamžiku je nosič ve složené pozici a přímočarý hydromotor začne vytvářet zatížení do hlavního uzlu rámu. Dále bude nezbytné provést pevnostní analýzu rámu hákového manipulátoru pro stav, který vzniká od stejného zatížení jako v případě rámu v čase 1 sekunda. Z tabulek lze odvodit, že nejvýše namáhané místo konstrukce se nachází ve vazbě rámu a přímočarého hydromotoru. Příčinou vzniku tak velkého zatížení je uložení přímočarého hydromotoru pod příliš malým úhlem (viz. Obrázek 30) ve vazbě B mezi přímočarým hydromotorem a rámem hákového manipulátoru. Hydromotor při zvedání břemene začne do vazby B vyvozovat větší sílu do vodorovné složky síly F1.

Obrázek 30 Složky síly F1

BRNO 2016

PEVNOSTNÍ ANALÝZA RÁMU PŘÍVĚSNÉHO VOZÍKU

5 PEVNOSTNÍ ANALÝZA RÁMU PŘÍVĚSNÉHO VOZÍKU Modely pro pevnostní analýzu byly vytvořeny v prostředí programu NX-IDEAS, který řeší zadané úlohy metodou konečných prvků. Metoda konečných prvků slouží pro numerické řešení průběhů deformací, napětí, proudění tepla proudění kapalin, atd. Princip metody konečných prvků spočívá ve vytvoření tzv. sítí na objemech nebo plochách modelu. Tato síť se skládá z jednotlivých elementů, za pomocí kterých program NX-IDEAS v každém jejím uzlu vypočítá výsledné napětí, posun, deformace, atd.

5.1 VLASTNOSTI POUŽITÉHO MATERIÁLU Rám kontejnerového nosiče a hákového manipulátoru je svařen z válcovaných profilů a plechů, které se standardně vyrábějí z materiálu S235JR (11373). Tento materiál bude dále použit pro vytvoření pevnostní analýzy v programu NX-IDEAS. OCEL S235JR Výpočet mezních stavů únosnosti dle ČSN 73 1401 [11]:

Dolní mez kluzu materiálu:

𝑅𝑒 = 235 𝑀𝑃𝑎

Dílčí součinitel spolehlivosti materiálu (tab. 6.1 ČSN 73 1401)

𝛾𝑚 = 1,15

Dynamický součinitel

𝑘𝐷 = 1,50

Hodnota navrhované pevnosti oceli odvozené od meze kluzu

𝑓𝑦𝑑

Dovolené napětí obsahující dynamický součinitel

𝑓𝐷

Hodnota návrhové pevnosti:

𝑓𝑦𝑑 =

Dovolené napětí obsahující dynamický součinitel:

𝑓𝐷 =

𝑅𝑒 𝛾𝑚

𝑓𝑦𝑑 𝑘𝐷

= =

235 1,15 204 1,5

= 204 𝑀𝑃𝑎

= 136 𝑀𝑃𝑎

Hodnota návrhové pevnosti 𝑓𝑦𝑑 pro ocel S235JR je zvolena jako referenční hodnota napětí pro všechna zobrazení výsledků pevnostní analýzy

BRNO 2016

35


5.2 TVORBA MODELŮ PRO PEVNOSTNÍ ANALÝZY Tvorba modelů určených pro pevnostní analýzu byla provedena v programu NXIDEAS. Při vytváření modelu bylo zanedbáno sražení a zaoblení hran nebo detailní modelování prvků sestavy. Modelování proběhlo vytvořením skořepinového modelu složeného ze střednicových ploch všech objemů, ze kterých je rám kontejnerového nosiče a rám hákového manipulátoru složen. Tato koncepce modelu je vhodnější zejména z důvodu použití menšího výsledného množství prvků, které má za následek snížení výpočetního času. ČTYŘUZLOVÝ PRVEK THIN SHELL Je to plošný prvek střednicového modelu jehož povrch se skládá z jednotlivých elementů a uzlů, které mají 6 stupňů volnosti. Tímto prvkem se nahrazují skutečné tloušťky jednotlivých plechů, profilů, trubek apod. Je vhodný pro vytvoření pevnostní analýzy na skořepinovém modelu. CONSTRAINT Je to nehmotný prvek, jehož charakteristika se vyznačuje určitou konečnou tuhostí. Slouží pro vytvoření rovnoměrného spojení jednotlivých uzlů, za pomocí kterého dosáhneme rozprostření síly do více uzlů. V našem případě byl použit pro nahrazení uložení přímočarého hydromotoru s rámem nosiče a nahrazení háku hákového manipulátoru. SPRING Je to prvek, který slouží jako náhrada reálné pružiny jak lineární, tak i torzní o dané tuhosti. V našem případě byl prvek použit pro simulaci tlumení od náprav podvozku kontejnerového nosiče. LUMPED MASS Je to prvek s definovatelnou hmotností a kvadratickými momenty. V našem případě je využit jako náhrada břemene s hmotností 2500 kg.

5.2.1 MODEL RÁMU Zjednodušený skořepinový model rámu kontejnerového nosiče viz Obrázek 31, je vytvořen v prostředí NX-IDEAS. Při jeho modelování byli zanedbány některé konstrukční celky, jenž nejsou předmětem zkoumání pevnostní analýzy. Mezi zanedbané konstrukční celky patří například uložení ovládacího mechanismu upevněného po boku rámu, oje návěsu nebo detailní modelování kol či pneumatik. Naopak větší pozornost jsme si při modelování dali na uložení přímočarých hydromotorů a dosedací plochy pro kontejner. Pro co nejpřesnější výsledek pevnostní analýzy, bylo vymodelováno do detailu uložení hřídele, která tyto přímočaré hydromotory spojuje a zvyšuje tuhost uložení. BRNO 2016


Obrázek 31 Model rámu kontejnerového nosiče z prostředí NX-IDEAS

5.2.2 MODEL HÁKOVÉHO MANIPULÁTORU Při vytváření modelu hákového manipulátoru viz Obrázek 32, jsme postupovali obdobně jako u rámu kontejnerového nosiče. Pro zjednodušení modelu bylo zanedbáno detailní modelování háku manipulátoru. Místo samotného háku byl zvolen zjednodušený tvar. Dále bylo vymodelováno uložení pro přímočaré hydromotory a osa za pomocí, které je hákový manipulátor rotačně spojen s výklopným rámem.

Obrázek 32 Model rámu hákového manipulátoru z prostředí NX-IDEAS

BRNO 2016

37


5.2.3 MODEL RÁMU PRO MKP Na vytvoření MKP modelu rámu kontejnerového nosiče bylo využito prvku thin shell, následovně spring, constraint a v poslední řadě pro simulaci u provozním zátěžovém stavu prvek lumped mass. Tento model tvoří 120304 čtyřuzlových prvků. Pro tento model budou vytvořeny dva zatěžovací stavy. První bude simulovat zátěž rámu při vyklápění břemene, kde podle výsledků dynamické zkoušky (viz Tabulka 3) vzniká nejvyšší zatížení v místě uložení přímočarých hydromotorů. Druhý zátěžový stav bude simulovat chování rámu při zatížení břemenem a zrychlením působícího na rám při brždění návěsu.

Obrázek 33 Model rámu kontejnerového nosiče pro výpočet MKP

NÁHRADA ULOŽENÍ VÝKLOPNÉHO RÁMU Na modelu bylo provedeno nahrazení uložení výklopného rámu a rámu nosiče. Ve skutečnosti je uložení rámů zajištěno hřídelí opatřenými dvěma kluznými ložisky, které zajišťují válcovitý kontakt mezi součástmi. Spoj byl nahrazen hřídelí o stejných rozměrech a průměru. NÁHRADA NÁPRAVY Uložení nápravy je v našem případě napevno s rámem kontejnerového nosiče. Detailní modelování brzdové kolové jednotky (viz Obrázek 14 Nájezdová brzda[6] Obrázek 15 Brzdová kolová jednotka [6]) bylo vynecháno a nahrazeno hřídelí, tak aby výsledek co nejvíce odpovídal skutečnosti. ULOŽENÍ PŘÍMOČARÉHO HYDROMOTORU Při modelování uložení pro přímočarý hydromotor byly vymodelovány patky uložení včetně spojovací hřídele. S touto náhradou je síla rozprostřena i do dalších částí rámu při zachování celkové tuhosti předního uzlu.

BRNO 2016


5.2.4 MODEL HÁKOVÉHO MANIPULÁTORU PRO MKP Pro vytvoření MKP modelu hákového manipulátoru bylo využito plošného čtyřuzlového prvku thin shell viz Obrázek 34. MKP model sestává z 86076 čtyřuzlových prvků a z několika náhrad pomocí prvků constraint.

Obrázek 34 Model hákového manipulátoru pro výpočet MKP NÁHRADA ULOŽENÍ V tomto případě se na hákovém manipulátoru, nachází dvě uložení a to uložení přímočarého hydromotoru a výklopného rámu. Obě tato uložení jsou opatřeny hřídelí s kluznými ložisky. Tato ložiska vytváří válcový kontakt s rámem a pro co nejreálnější výsledek simulace byla tato ložiska nahrazena prvky constraint viz Obrázek 36. Obrázek 34 Díky těmto prvkům jsme mohli působící sílu rozprostřít po celém obvodu součásti a zamezit tak vzniku vysokého napětí v místě vazby. NÁHRADA HÁKU U pevnostní analýzy hákového manipulátoru pro tento simulovaný stav nemá detailní modelování háku další význam, proto jsme zvolili náhradu, viz Obrázek 36 a obdobně jako u uložení byla působící síla za pomocí prvků constraint rovnoměrně rozdělena do jejího povrchu.

BRNO 2016

39


5.3 OKRAJOVÉ PODMÍNKY Při vytváření pevnostních analýz hraje velkou roli vhodná definice okrajových podmínek, tzn. použití správných vazeb pro uchycení modelu a umístění působících sil tak aby co nejvíce odpovídali reálnému modelu.

5.3.1 POUŽITÉ VAZBY Pro umístění vazeb na modelu a pro lepší rozložení sil, které vznikají reakcí od působících sil, bylo využito prvků constraint (viz předešlá kapitola 5.2). Tyto prvky typu constraint byli svedeny do jednoho uzlu, na kterém byla následně vytvořena vazba typu „specify“. Díky této funkci je možné požadovanou vazbu nadefinovat podle potřeby. VAZBY RÁMU KONTEJNEROVÉHO NOSIČE

Obrázek 35 Znázornění vazeb na rámu kontejnerového nosiče, a) vazba výklopného rámu b) vazba oje, c) vazby nápravy

BRNO 2016


Znázorněné vazby viz Obrázek 35, se liší podle druhu zkoumaného zátěžového stavu. Pro zátěžový stav vznikající při vyklápění břemene jsou použity vazby znázorněné na Obrázku 35, a) vazba výklopného rámu a c) vazba nápravy. U obou vazeb bylo využito prvku constraint. V případě vazby na obrázku 35c byl do uzlu doplněn prvek spring, který slouží jako náhrada pneumatiky se stejnými vlastnostmi a odebírajícím posuvem ve svislém směru. U vazby na obrázku 35a je pro případ zátěžového stavu vyklápění břemene, použita vnitřní část hřídele. Do uzlů byla umístěna vazba typu specify se zamezením ve směrech X, Y a Z, natočení bylo povoleno. Pro druhý zátěžový stav týkající se zatížení při přepravě jsou využity všechny vazby znázorněné na obrázku 35. U vazby na obrázku 35a je v tomto případě využita vnější část hřídele, kde dochází ke kontaktu vodících rolen a kontejnerové nástavby. Ve vazbě na obrázku 35b bylo oje nahrazeno prvkem spring s podobnými tlumícími vlastnostmi jako tažné vozidlo. VAZBY HÁKOVÉHO MANIPULÁTORU Pro zátěžový stav do 1 sekundy byli vytvořeny dvě vazby, které co nejvíce odpovídají reálnému modelu, viz Obrázek 36. V místě vazby kontejneru a háku byl omezen posuv ve směrech X, Y a Z, natočení bylo ve všech směrech povoleno. Pro vazbu v místě uložení hákového manipulátoru a výklopného rámu byl obdobně zakázán posuv ve směrech X, Y a Z, natočení bylo povoleno.

Obrázek 36 Vazby hákového manipulátoru

BRNO 2016

41


5.3.2 ZATÍŽENÍ Při vytváření zatížení modelu bylo opět využito svedení jednotlivých uzlů prvku thin shell za pomocí prvku constraint do jednoho uzlu. Na tomto uzlu byla posléze definována síla patřičného směru a velikosti. V případě pevnostních analýz na rámu kontejnerového nosiče bylo přidáno zatížení od tíhového a brzdového zrychlení. ZÁTĚŽOVÝ STAV PŘI ZVEDÁNÍ BŘEMENE Pro tento zátěžový stav jsou zdrojem zatížení dva přímočaré hydromotory. Dohromady při zvedání břemene o tíze 2 tuny vytvářejí zatížení 81684 N ve vodorovném směru a 14168 N ve svislém. Dalším zdrojem zatížení rámu vzniká při tíhovém zrychlení jeho vlastní hmotností.

Obrázek 37 Zatížení rámu od přímočarého hydromotoru

ZÁTĚŽOVÝ STAV PŘI BRŽDĚNÍ SE ZÁTĚŽÍ OD BŘEMENE Pro simulování přepravy břemene byl model zatížen prvkem lumbed mass. K prvku lumped mass byla přiřazena hmotnost břemene a dalších celků rámu, která dohromady činí 2500 kg. Tato hodnota byla rozdělena do čtyř bodů na rámu nosiče. V přední části dochází ke kontaktu plochy kontejneru s plochou rámu. Plocha byl vztažena do jednoho uzlu pomocí prvku constraint viz Obrázek 38. Během přepravy kromě prvku lumbed mass, budeme dále uvažovat zatížení vznikající od zrychlení při brždění návěsu. Hodnota zrychlení byla stanovena na 𝑎 = 3,94 𝑚 ∙ 𝑠 −2. Jako u předchozího případu bude model zatížen od tíhového zrychlení jeho vlastní hmotností.

BRNO 2016


Obrázek 38 Znázornění zatížení od prvku lumped mass

ZATÍŽENÍ RÁMU HÁKOVÉHO MANIPULÁTORU Zatížení hákového manipulátoru bylo v tomto případě vyvozeno jediné a to od síly přímočarých hydromotorů. Hodnota síly je 81684 N ve vodorovném směru a 14168 N ve svislém. Působení zatížení od gravitačního zrychlení je vzhledem k menším rozměrům rámu pro tento případ zanedbán.

Obrázek 39 Zatížení rámu hákového manipulátoru od přímočarého hydromotoru

BRNO 2016

43


5.4 VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ PEVNOSTNÍCH ANALÝZ Pro zobrazení a vyhotovení výstupů pevnostních analýz bylo použito funkce Visualizer v prostředí programu NX-IDEAS. Všechny výsledky analýz jsou zobrazeny v nedeformovaném stavu a dále porovnány s hodnotou návrhové pevnosti materiálu odvozené od meze kluzu 𝑓𝑦𝑑 viz kapitola 5.1. 5.4.1 VÝSLEDNÁ NAPĚTÍ NA RÁMU KONTEJNEROVÉHO NOSIČE VÝSLEDNÁ NAPĚTÍ PŘI BRŽDĚNÍ SE ZÁTĚŽÍ OD BŘEMENE Při tomto zátěžovém stavu byla simulována situace se zatížením od břemene o hmotnosti 2500 kg (včetně hmotnosti kontejneru a jednotlivých částí rámu) během brždění návěsu. Nejvyšší napětí vznikající během tohoto zátěžového stavu vzniklo v místě přechodu oje do předního uzlu (viz Obrázek 40), kde dosáhlo hodnoty 20,6 MPa. Nejvyšší hodnoty napětí vzniklé při tomto zátěžovém stavu nepřesahují hodnotu návrhové pevnosti materiálu 𝑓𝑦𝑑 .

Obrázek 40 Detail předního uzlu při brždění se zátěží od břemen

Obrázek 41 Výsledná napětí při brždění se zatížením od břemene maximální napětí 20,6 MPa, průměrné napětí 19,3 MPa

BRNO 2016


VÝSLEDNÁ NAPĚTÍ PŘI ZVEDÁNÍ BŘEMENE Nejvíce namáhané místo rámu tohoto zátěžovém stavu vzniká v předním uzlu (viz Obrázek 43) od působení síly přímočarých hydromotorů. Další kritická místa od tohoto zatížení vznikají v přechodu rozšíření na přímí profil (viz Obrázek 42). Další průměrná napětí se vyskytují v místě uložení nápravy a v uložení výklopného rámu. V těchto vazbách dochází k zachycení veškerých působících sil vyvozených od přímočarých hydromotorů. Nejvyšší napětí vzniklé při tomto zátěžovém stavu v žádném místě rámu nepřesahuje hodnotu návrhové pevnosti materiálu 𝑓𝑦𝑑 .

Obrázek 42 Výsledná napětí při zvedání břemene, maximální napětí 203 MPa, průměrné napětí 182 MPa

Obrázek 43 Detail výsledků napětí v uložení PČHM

BRNO 2016

45


5.4.2 VÝSLEDNÁ NAPĚTÍ NA RÁMU HÁKOVÉHO MANIPULÁTORU V případě analýzy rámu hákového manipulátoru byl uvažován pouze jeden zátěžový stav a to ten samí jako pro rám kontejnerového nosiče během zvedání břemene. Nejvyšší napětí vzniká v oblasti uložení přímočarých hydromotorů (viz Obrázek 45Obrázek 46). Další kritická místa se nacházejí v místě uložení s výklopným rámem a v rožkách znázorněných na obrázku 46. Výsledné maximální hodnoty napětí ani v tomto případě v žádném místě nepřesahují dovolenou hodnotu návrhové pevnosti materiálu 𝑓𝑦𝑑 .

Obrázek 44 Znázornění napětí při zvedání břemene maximální napětí 197 MPa, průměrné 129MPa, maximální posun 0,4 mm

Obrázek 45 Zobrazení největšího napětí na hákovém manipulátoru

BRNO 2016


Obrázek 46 Detailní zobrazení rožků hákového manipulátoru

5.5 SHRNUTÍ VÝSLEDKŮ PEVNOSTNÍCH ANALÝZ Ve výsledcích pevnostních analýz (viz kapitola 5.4) byla vyobrazena jednotlivá kritická místa navržené konstrukce. Tato místa bylo snahou během vytváření modelu v programu NX - IDEAS co nejlépe eliminovat za pomocí žeber a různých tvarových modifikací. Maximální hodnoty napětí výsledných tvarů konstrukcí znázorněných v kapitole 5.4 v žádném z případu nepřekračují maximální dovolenou mez návrhové pevnosti materiálu 𝑓𝑦𝑑 .

BRNO 2016

47

ZÁVĚR

ZÁVĚR Úkolem diplomové práce bylo provést kritickou rešerši obdobných konstrukčních nosičů přívěsného typu s výměnnými nástavbami. Tato rešerše byla dále doplněna o kontejnerové nosiče nástavbového typu. Dalším úkolem bylo posoudit zvolenou konstrukci kontejnerového nosiče legislativními požadavky, na základě kterých bude možné stroj v reálném provozu bezpečně používat. Po rešeršní a legislativní části diplomové práce následoval vlastní konstrukční návrh kontejnerového nosiče s maximální nosností do 2000 kg. Tento konstrukční návrh zahrnuje popis jednotlivých funkcí, částí rámu a v další řadě volbu jednotlivých konstrukčních prvků, jako jsou brzdy, hydraulická soustava nebo osvětlení a výstražné prvky. V další části diplomové práce byla věnována pozornost dynamické simulaci, která probíhala v programu MSC. ADAMS. Výstupem tohoto programu bylo zjištění reakcí sil od zatížení v jednotlivých vazbách stroje. Ze získaných dat byli stanoveny zátěžové stavy pro rám nosiče a rám hákového manipulátoru. Pro navržený rám nosiče a rám hákového manipulátoru byli vytvořeny výpočtové modely v rozhraní programu NX-IDEAS 6.1. Při vytváření modelů byli zahrnuty veškeré konstrukční celky, které mají významný podíl na výsledcích pevnostních analýz rámů. Pevnostní analýza byla provedena pro dva zátěžové stavy. V prvém zátěžovém stavu byl rám nosiče a rám manipulátoru zatěžován silou vyvolanou přímočarými hydromotory. U druhého zátěžového stavu byl zkoumán pouze rám nosiče při brždění se zatížením od břemene. Veškeré výsledky pevnostních analýz vyšli uspokojivě, bez významně velkých deformací.

BRNO 2016

POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE

POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE [1]

VLK, František. Dynamika motorových vozidel: jízdní odpory: hnací charakteristika: brzdění: odpruženost: řiditelnost, ovladatelnost: stabilita. 1. vyd. Brno: VLK, 2000. ISBN 80-238-5273-6.

[2]

PTÁČEK, Petr a Aleš KAPLÁNEK. Přeprava nákladu v silniční nákladní dopravě: jízdní odpory: hnací charakteristika: brzdění: odpruženost: řiditelnost, ovladatelnost: stabilita. 1. vyd. Brno: CERM, 2002. ISBN 80-720-4257-2.

[3]

Zákon č. 56/2001 sb., o podmínkách provozu vozidel na pozemních komunikacích, Ministerstvo dopravy a spojů, 10. leden 2001.

[4]

LEINVEBER, Jan a Pavel VÁVRA. Strojnické tabulky: pomocná učebnice pro školy technického zaměření. 1. vyd. Úvaly: Albra, 2003. ISBN 80-864-9074-2.

[5]

Vyhláška č. 341/2014 Sb., o schvalování technické způsobilosti a o technických podmínkách provozu vozidel na pozemních komunikacích, Ministerstvo dopravy a spojů, 19. prosinec 2014

[6]

KNOTT s.r.o. [online]. [cit. 2016-04-26]. Dostupné z: www.knott.cz

[7]

WTC-PISECNA [online]. [cit. 2016-04-26]. Dostupné z: www.wtc-pisecna.eu

[8]

ŠÁLEK S.R.O. [online]. [cit. 2016-04-28]. Dostupné z: www.agroservispv.cz

[9]

FORNAL. Fornal ramenové nosiče kontejneru [online]. [cit. 2016-05-04]. Dostupné z: http://www.fornal.cz/vyrobky/ramenove-nosice-kontejneru/

[10] WISCONSIN ENGINEERING [online]. [cit. 2016-05-07]. Dostupné z: http://www.wisconsineng.cz/ [11] Česká technická norma – Navrhování ocelových konstrukcí ČSN 73 1401, Český normalizační institut, Praha 1998 [12] KONTEJNEROVÁ TECHNIKA [online]. [cit. 2016-05-12]. Dostupné z: www.kontejnerovatechnika.cz

BRNO 2016

49

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ 𝑝𝐻𝐺

[Pa]

tlak hydrogenerátoru

𝐹𝐻𝑀

[N]

teoretická síla obou hydromotorů

𝑆𝐻𝑀

[𝑚2 ]

obsah hydromotoru

𝑉1

[𝑚3 ]

objem hlavní komory PČHM

𝑉2

[𝑚3 ]

objem vedlejší komory PČHM

𝑉𝑐

[𝑚3 ]

celkový potřebný objem

𝑟𝐻𝑀

[m]

poloměr PČHM

𝑟𝑝

[m]

poloměr pístní tyče

H

[m]

velikost zdvihu

𝑓𝑦𝑑

[Pa]

hodnota navrhované pevnosti oceli odvozené od meze kluzu

𝑓𝐷

[Pa]

dovolené napětí obsahující dynamický součinitel

𝑘𝐷

[-]

dynamický součinitel

𝛾𝑚

[-]

dílčí součinitel spolehlivosti materiálu

𝑅𝑒

[MPa]

dolní mez kluzu materiálu

BRNO 2016

SEZNAM PŘÍLOH

SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1

Schéma hydrauliky

Kontejnerový nosič

Výkres sestavy

AS10010

Rám

Výkres sestavy

AS04536

Hákový manipulátor

Výkres sestavy

AS04541

BRNO 2016

51

PŘÍLOHA 1

SCHÉMA HYDRAULIKY

ramenový nosič kontejnerů, legislativa, dynamická simulace, pevnostní analýza, metoda konečných prvků

Recommend Documents