Podstawy Projektowania Maszyn

Transport materiałów ciężkich

Skład grupy projektowej: inż. Urszula Cilulko - lider inż. Bartosz Małek inż. Krzysztof Palczyński	Prowadzący: Dr inż. Krzysztof Kędzia Ocena: ……………………….
Wydział Mechaniczny Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn Rok: 1 (niestacjonarne)

1. FORMUŁOWANIE PROBLEMU

Jedna z mieszkanek posiada pianino, a okazuje się że będzie mieszkała na 5piętrze.Wiadomo, że wniesienie przez klatkę schodową jest niemożliwe.

Jak wnieść pianino na 5 piętro?

1. Określenie stanu wejściowego

Pianino nie mieści się na klatkę schodową, uniemożliwia to przetransportowanie go do mieszkania klientki.

1. Określenie stanu wyjściowego

Pianino w stanie nienaruszonym w mieszkaniu klientki.

1. ANALIZA PROBLEMU

   1. Zebranie informacji

Składa się z kabiny lub klatki, rzadziej z otwartej platformy, i zwykle porusza się w szybie, wewnątrz budynku lub innej konstrukcji. Kabina podnoszona jest za pomocą cięgnika-wciągarki umieszczonego w maszynowni w górnej części szybu lub przez dźwignik (najczęściej hydrauliczny) umieszczony na dnie szybu.

Rysunek 1. Winda przemysłowa

Urządzenie dźwigowe na podwoziu samochodu ciężarowego lub specjalnie skonstruowanym podwoziu samojezdnym, używane do prac przeładunkowych i montażowych. Żuraw samochodowy składa się z wciągarek i wychylnego wysięgnika osadzonego na obrotowym pomoście (kolumnie), co zapewnia podnoszenie i opuszczanie ciężaru oraz jego przemieszczanie przez obrót pomostu i zmianę wysięgu. Maszyna może pracować w dwóch trybach: transportowym i dźwigowym. W trybie pracy dźwigowej, podwozie, w celu zapewnienia stabilności, jest zwykle podnoszone na wysuwnych podporach (łapach), będących częścią urządzenia.

Układ cięgien i krążków umożliwiający przełożenie siły, dzięki któremu można np. podnieść duży ciężar, działając mniejszą siłą.

Wielokrążek ma zastosowanie wszędzie tam, gdzie trzeba podnieść duże ciężary przy użyciu małych silników lub rąk ludzkich: warsztaty mechaniczne, hale produkcyjne, gdzie stosowany jest w zbloczach.

Wciągnik – urządzenie dźwignicowe zaliczane do grupy cięgników. Charakteryzuje się zwartą budową i zwykle niewielkimi gabarytami.

Podział wciągników:

• z napędem ręcznym,

  • wciągniki wielokrążkowe

  • wciągniki ślimakowe – zasada działania oparta na przekładni ślimakowej

  • wciągniki z przekładnią planetarną

• z napędem silnikowym (przeważnie elektrycznym)

  • wciągniki jednohamulcowe – na wale silnika jeden hamulec zatrzymujący zwalniany elektromagnetycznie

  • wciągniki dwuhamulcowe – jeden hamulec zatrzymujący oraz drugi wstrzymujący, który reguluje prędkość opadania nosiwa

Rolę cięgna pełni tu lina stalowa lub łańcuch, do którego zamontowane jest zblocze hakowe lub zaczep.

Szeroko stosowane w budownictwie, górnictwie, jako że zapewniają one efektywny transport bliskiego zasięgu, jednocześnie będąc łatwymiw przemieszczaniu z miejsca na miejsce.

1. Założenia i zmienne stanu wejściowego

• Mieszkanie na 5 piętrze –20 metrów

• Wąska klatka schodowa – 1,5 metra

• Gabaryty pianina:

  • Wysokość: 125 cm

  • Szerokość: 150 cm

  • Głębokość: 150 cm

  • Waga: 200 kg

• Rozsuwane drzwi balkonowe:

  • Wysokość 230 cm

  • Szerokość: 360 cm

  1. Założenia i zmienne stanu wyjściowego

• Pianino w domu klientki

• Koszt operacji do 1000 złotych

• Czas operacji do 4 godzin

• Nie uszkodzone pianino

  1. Określenie zmiennych rozwiązania

• Sposób realizacji zadania

• Ilość pracowników

  1. Określenie ograniczeń

• Wąska klatka schodowa

• Waga i gabaryty pianina

• Koszt i czas wniesienia

• Zmęczenie człowieka

• Rozmiar okna i balkonu

• Wysokość budynku mieszkalnego, ilość pięter

• Sąsiedzi

  1. Określenie wielkości produkcji

• Jednorazowe wykonanie zlecenia

  1. Określenie kryteriów oceny

• Bezpieczeństwo

• Cena

• Innowacyjność

• Masa

• Ekologia

1. POSZUKIWANIE ROZWIĄZAŃ

   1. Wybór metod poszukiwania rozwiązań

Do poszukiwania rozwiązań wykorzystano metodę tablicy morfologicznej, ponieważ daje ona możliwość wyznaczenia wszystkich wariantów rozwiązania problemu.

1. Określenie zasady działania urządzenia

Do określenia zasady działania urządzenia pod uwagę brano najważniejsze funkcje, jakie powinny być spełnione. Do najistotniejszych zaliczono:

• Źródło energii

• Metoda transportu

• Sposób zamocowania przedmiotu

• Zasięg

• Nośność

• Miejsce zamontowania urządzenia wciągającego

  1. Poszukiwanie rozwiązań

Poszukiwanie rozwiązań zostało przedstawione w postaci tablicy morfologicznej.

	Funkcje	1	2	3	4	5	6	7
A	źródło energii	elektryczne	mechaniczne	ręczne	pneumatyczne
B	metoda transportu	poduszka powietrzna	żuraw	wciągnik	rug cug	wielokrążek	winda przemysłowa	podnośnik elektryczny
C	sposób zamocowania	pasy zaciskowe	pasy	łańcuch	lina stalowa	lina materiałowa	zawiesie wielohakowe
D	zasięg	do 5m	do 10m	do 15m	do 20m	do 30m	do 50m
E	nośność	do 125kg	do 250kg	do 500kg	do 1000kg	do 2000kg	powyżej 2000kg
F	miejsce zamontowania urządzenia wciągającego	na ziemi	na balkonie	na dachu	w mieszkaniu

Tabela 1. Tablica morfologiczn

1. OCENA I WYBÓR ROZWIĄZAŃ

   1. Wstępna selekcja

Podczas wstępnej selekcji za pomocą tablicy morfologicznej dokonano wyboru pięciu rozwiązań. Przedstawiono je poniżej:

• Rozwiązanie 1A2+B2+C2+D6+E6+F1

	Funkcje	1	2	3	4	5	6	7
A	źródło energii	elektryczne	mechaniczne	ręczne	pneumatyczne
B	metoda transportu	poduszka powietrzna	żuraw	wciągnik	rug cug	wielokrążek	winda przemysłowa	podnośnik elektryczny
C	sposób zamocowania	pasy zaciskowe	pasy	łańcuch	lina stalowa	lina materiałowa	zawiesie wielohakowe
D	zasięg	do 5m	do 10m	do 15m	do 20m	do 30m	do 50m
E	nośność	do 125kg	do 250kg	do 500kg	do 1000kg	do 2000kg	powyżej 2000kg
F	miejsce zamontowania urządzenia wciągającego	na ziemi	na balkonie	na dachu	w mieszkaniu

Tabela 2. Tablica morfologiczna – rozwiązanie 1

• Rozwiązanie 2 A3+B4+C3+D4+E3+F3

	Funkcje	1	2	3	4	5	6	7
A	źródło energii	elektryczne	mechaniczne	ręczne	pneumatyczne
B	metoda transportu	poduszka powietrzna	żuraw	wciągnik	rug cug	wielokrążek	winda przemysłowa	podnośnik elektryczny
C	sposób zamocowania	pasy zaciskowe	pasy	łańcuch	lina stalowa	lina materiałowa	zawiesie wielohakowe
D	zasięg	do 5m	do 10m	do 15m	do 20m	do 30m	do 50m
E	nośność	do 125kg	do 250kg	do 500kg	do 1000kg	do 2000kg	powyżej 2000kg
F	miejsce zamontowania urządzenia wciągającego	na ziemi	na balkonie	na dachu	w mieszkaniu

Tabela 3. Tablica morfologiczna – rozwiązanie 2

• Rozwiązanie 3 A2+B6+C1+D5+E4+F3

	Funkcje	1	2	3	4	5	6	7
A	źródło energii	elektryczne	mechaniczne	ręczne	pneumatyczne
B	metoda transportu	poduszka powietrzna	żuraw	wciągnik	rug cug	wielokrążek	winda przemysłowa	podnośnik elektryczny
C	sposób zamocowania	pasy zaciskowe	pasy	łańcuch	lina stalowa	lina materiałowa	zawiesie wielohakowe
D	zasięg	do 5m	do 10m	do 15m	do 20m	do 30m	do 50m
E	nośność	do 125kg	do 250kg	do 500kg	do 1000kg	do 2000kg	powyżej 2000kg
F	miejsce zamontowania urządzenia wciągającego	na ziemi	na balkonie	na dachu	w mieszkaniu

Tabela 4. Tablica morfologiczna – rozwiązanie 3

• Rozwiązanie 4 A1+B7+C1+D4+E3+F1

	Funkcje	1	2	3	4	5	6	7
A	źródło energii	elektryczne	mechaniczne	ręczne	pneumatyczne
B	metoda transportu	poduszka powietrzna	żuraw	wciągnik	rug cug	wielokrążek	winda przemysłowa	podnośnik elektryczny
C	sposób zamocowania	pasy zaciskowe	pasy	łańcuch	lina stalowa	lina materiałowa	zawiesie wielohakowe
D	zasięg	do 5m	do 10m	do 15m	do 20m	do 30m	do 50m
E	nośność	do 125kg	do 250kg	do 500kg	do 1000kg	do 2000kg	powyżej 2000kg
F	miejsce zamontowania urządzenia wciągającego	na ziemi	na balkonie	na dachu	w mieszkaniu

Tabela 5. Tablica morfologiczna – rozwiązanie 4

• Rozwiązanie 5 A4+B1+C4+D1+E5+F1

	Funkcje	1	2	3	4	5	6	7
A	źródło energii	elektryczne	mechaniczne	ręczne	pneumatyczne
B	metoda transportu	poduszka powietrzna	żuraw	wciągnik	rug cug	wielokrążek	winda przemysłowa	podnośnik elektryczny
C	sposób zamocowania	pasy zaciskowe	pasy	łańcuch	lina stalowa	lina materiałowa	zawiesie wielohakowe
D	zasięg	do 5m	do 10m	do 15m	do 20m	do 30m	do 50m
E	nośność	do 125kg	do 250kg	do 500kg	do 1000kg	do 2000kg	powyżej 2000kg
F	miejsce zamontowania urządzenia wciągającego	na ziemi	na balkonie	na dachu	w mieszkaniu

Tabela 6. Tablica morfologiczna – rozwiązanie 5

Po przeanalizowaniu wybranych rozwiązań, odrzucono nielogiczny wariant numer 5, pozostałe poddano dalszej ocenie.

1. Selekcja ze względu na kryteria dominujące

Rozwiązanie: źródło energii – metoda transportu – sposób zamocowania przedmiotu – zasięg – nośność – miejsce zamontowania urządzenia wciągającego

• Rozwiązanie 1: mechaniczne – żuraw – pasy – do 50 m – powyżej 2000 kg – na ziemi

• Rozwiązanie 2: ręczne – rug cug – pasy – do 20 m – do 500 kg –na dachu

• Rozwiązanie 3: mechaniczne – winda przemysłowa – pasy zaciskowe – do 30 m – do 1000 kg – na dachu

• Rozwiązanie 4: elektryczne – podnośnik elektryczny – pasy zaciskowe – do 20 m – do 500 kg – na ziemi

Uzyskane rozwiązania poddano ocenie wykorzystując metodę decyzji wymuszonych. W tym celu dokonano ważenia kryteriów oceny, a uzyskane wagi zostały wykorzystane a dalszej analizie wybranych rozwiązań.

Kryteria oceny	Decyzje	Ilość decyzji	Waga
	1	2	3
Bezpieczeństwo	1	1	1
Cena	0
Innowacyjność		0
Masa			0
Ekologia

Tabela 7. Ważenie kryteriów

1. Analiza i ocena rozwiązań ze względu na funkcję wartości

Ocena wybranych rozwiązań pod względem poszczególnych kryteriów oceny.

FUNKCJA	Bezpieczeństwo	Suma	Wskaźnik
	Decyzje
	1	2	3
Wariant 1	1	1	1
Wariant 2	0
Wariant 3		0
Wariant 4			0

Tabela 8. Ważenie kryteriów - Bezpieczeństwo

FUNKCJA	Cena	Suma	Wskaźnik
	Decyzje
	1	2	3
Wariant 1	1	1	1
Wariant 2	0
Wariant 3		0
Wariant 4			0

Tabela 9. Ważenie kryteriów – Cena

FUNKCJA	Innowacyjność	Suma	Wskaźnik
	Decyzje
	1	2	3
Wariant 1	1	1	0
Wariant 2	0
Wariant 3		0
Wariant 4			1

Tabela 10. Ważenie kryteriów - Innowacyjność

FUNKCJA	Masa	Suma	Wskaźnik
	Decyzje
	1	2	3
Wariant 1	1	1	1
Wariant 2	0
Wariant 3		0
Wariant 4			0

Tabela 11. Ważenie kryteriów - Masa

FUNKCJA	Ekologia	Suma	Wskaźnik
	Decyzje
	1	2	3
Wariant 1	0	0	0
Wariant 2	1
Wariant 3		1
Wariant 4			1

Tabela 12. Ważenie kryteriów - Ekologia

Mnożąc poszczególne oceny wariantów przez wagi kryteriów oraz sumując je dla poszczególnych rozwiązań, uzyskano ranking rozwiązań:

• Rozwiązanie 1:

0,4*0,5+0,3*0,5+0,1*0,333+0*0,5+0,2*0=0,3833

• Rozwiązanie 2:

0,4*0+0,3*0,167+0,1*0+0*0*0,2*0,5=0,0501

• Rozwiązanie 3:

0,4*0,333+0,3*0,167+0,1*0,333+0*0,333+0,2*0,167=0,25

• Rozwiązanie 4:

0,4*0,167+0,3*0,167+0,1*0,333+0*0,167+0,2*0,333=0,2168

1. Wybór wariantów do projektowania wstępnego

Po przeprowadzonej analizie ustalono ranking rozwiązań:

Miejsce	Rozwiązanie	Sposób transportu pianina
1	Rozwiązanie nr 1	Żuraw
2	Rozwiązanie nr 3	Winda przemysłowa
3	Rozwiązanie nr 4	Podnośnik elektryczny
4	Rozwiązanie nr 2	Rug cug

Tabela 13. Ranking rozwiązań

1. PROJEKTOWANIE WSTEPNE

   1. Przykładowe obliczenia udźwigu haku dla wariantu I

d – średnica pręta

k_r– wytrzymałość pręta

A – powierzchnia przekroju pręta

W_x – wskaźnik wytrzymałości przekroju pręta na zginanie

P_u – udźwig haka

d=20 mm

e= 40 mm

k_r=150Mpa

A = 0, 25 * π * d² = 0, 25 * 3, 14 * (20*10⁻³)² = 3, 14 * 10⁻⁴m²

$$W_{x} = \frac{\pi*d^{3}}{32} = \frac{3,14*\left( 20*10^{- 3} \right)^{3}}{32} = 7,85*10^{- 7}m^{3}$$

$$P_{u} = k_{r}*\frac{A*W_{x}}{e*A + W_{x}} = 150*10^{6}*\frac{3,14*10^{- 4}*7,85*10^{- 7}}{40*10^{- 3}*3,14*10^{- 4} + 7,85*10^{- 7}} = 2,77*10^{3}\ N = 2,77\ kN\backslash n$$

1. DOBÓR ELEMENTÓW

   1. Wstęp

Zadaniem mechanizmu podnoszenia jest podniesienie ładunku o określonej masiez zadaną prędkością ustaloną i przy zachowaniu założonych przyśpieszeń. Dla możliwości racjonalnego doboru silnika oraz hamulca, jak również przeprowadzenia wszelkich obliczeń wytrzymałościowych i trwałościowych głównych elementów układu, muszą być określone szczytowe oraz statystycznie najczęstsze obciążenia tych elementów, występujące podczas normalnego użytkowania dźwignicy. Wyznaczenie obciążeń elementów zespołów podstawowych przeprowadza się w oparciu o równania ruchu dla charakterystycznych przypadków pracy dźwignicy, tj. dla okresu rozruchu, ruchu ustalonego i hamowania zatrzymującego. W stanie ustalonym cała energia dostarczana przez silnik jest użytkowana na pokonywanie oporów ruchu, energia kinetyczna ruchowych mas układu nie zmienia się i prędkość ruchu jest stała. W okresach ruchu nieustalonego (rozruch, hamowanie) w układzie występuje dodatkowy strumień mocy, wywołany zachodzącymi zmianami energii kinetycznej ruchomych mas, powodując zwiększenie obciążeń jego elementów.

1. Napęd mechanizmu podnoszenia.

   1. Wymagania stawiane napędom dźwignic.

• rozwijanie przez silnik odpowiednio dużego momentu początkowego umożliwiającego rozruch przy pełnym obciążeniu,

• możliwość regulacji momentu rozruchowego, pozwalająca na łagodne kasowanie luzów mechanizmu i wstępne napięcie więzi sprężystych zapobiegające występowaniu uderzeń przy rozruchu,

• możliwość regulacji prędkości w pożądanym zakresie,

• łatwość uzyskiwania nawrotności biegu,

• możliwość wywołanie silnikiem wymaganych momentów hamujących, prostota i niezawodność działania przy możliwie małych kosztach wykonania i użytkowania.

Różne rodzaje napędów stosowane w budowie dźwignic umożliwiają realizację

tych wymagań w rozmaitym stopniu.

1. W skład mechanizmu podnoszenia wchodzi:

1. Silnik

2. Hamulec

3. Sprzęgło

4. Przekładnia

5. Wał napędowy

6. Bęben linowy

7. Lina lub łańcuch

8. Hak

1. Silnik elektryczny.

Do napędu stosuje się najczęściej indukcyjne silniki elektryczne (asynchroniczne). Silniki takie dzielimy na klatkowe i pierścieniowe. W starszych konstrukcjach stosowano silniki pierścieniowe ze względu na łatwość regulacji prędkości – zmiana rezystancji w obwodzie wirnika za pomocą nastawników. Obecnie stosuje się silniki klatkowe zasilane z sieci trójfazowej przez falowniki (elektroniczne przemienniki częstotliwości). Falowniki zapewniają regulację prędkości i są sprawniejsze od rezystorów stosowanych przy silnikach pierścieniowych.

Na rysunku przedstawiono silnik

klatkowy z hamulcem tarczowym

firmy MGM.

1. Hamulec

Każdy mechanizm posiada hamulec, który normalnie jest zahamowany. Zapewnia to odpowiednia sprężyna lub zespół sprężyn. Zwolnienie hamulca wymaga dostarczenia energii. Zatem przerwa w zasilaniu gwarantuje, że zawieszony ładunek nie opada, a suwnica i wózek nie poruszają się. Do zwalniania hamulca służy luzownik.

Suwnice do przewożenia metali płynnych muszą posiadać dwa niezależne hamulce

Rysunek przedstawia hamulec szczękowy z luzownikiem elektromagnetycznym.

1. Sprzęgła

Łączą poszczególne podzespoły poszczególnych mechanizmów suwnicy przenosząc moment, np. wał silnika z wałem przekładni. Sprzęgło z wkładkami elastycznymi tłumi drgania. We wciągnikach z napędem ręcznym mogą także pełnić funkcję zabezpieczenia przed przeciążeniem. Jedna z tarcz sprzęgła kłowego może pełnić funkcję tarczy hamulcowej.

1. Bęben liniowy

Bębny linowe wykonuje się w postaci odlewów żeliwnych lub staliwnych albo zwija  i spawa z blachy stalowej bądź z rur stalowych. Powierzchnia walcowa bębna, ograniczona z obu stron obrzeżami, może być gładka  (w zastosowaniu do lin konopnych) lub rowkowana w celu ułatwienia nawijania pierwszej  warstwy liny stalowej i zapobieżenia jej spłaszczeniu (które wpływa na obniżenie wytrzymałości). Na jednym z obrzeży osadza się napędowe koło zębate za pomocą srub pasowanych. Bębny łożyskuje się ślizgowo na stałej osi  lub osadza za pomocą wpustów albo klinów na wałach łożyskowych z reguły tocznie. Koniec liny umieszcza się w odpowiednio dostosowanym gnieździe i dociska wkładką za pomocą wkrętów lub płaskich wkładek. Zamocowanie to powinno być pewne, a równocześnie  umożliwiać szybką wymianę.

1. Liny oraz łańcuchy

W dźwignicach stosuje się liny włókienne (zwykle konopne), częściej stalowe oraz 

łańcuchy.Liny konopne stosuje się do ręcznych wciągarek, wielokrążków i do wiązania łańcuchów. Mają one małą wytrzymałość na rozciąganie (rzędu 40 do 140 MPa), są mało odporne na wilgoć i łatwo się przecierają. Smołowanie i natłuszczanie częściowo uodparnia je na wilgoć ale zmniejsza wytrzymałość o 10 do 15%
Powszechnie stosuje sie liny stalowe. Wykonuje się je z drutów 
stalowych o średnicy 0,5 do 2 mm i wytrzymałości 1400 do 2000 
MPa, których wiązki skręca się w żyły, te zaś, skręcone wokół 
rdzenia stalowego lub konopnego, tworzą linę współ zwitą lub 
przeciw zwitą. Liny łączy się przez splatanie na długości równej co najmniej 800 
średnic w przypadku lin przeciw zwitych i 1000 średnic przy linach współ zwitych albo przez zaprasowywanie w specjalnych tulejkach. Końcówki lin zamocowuje się zazwyczaj za pomocą kausz (sercówek) i splecenie wolnego końca lub za pomocą klina i łączenia zaciskami. Łańcuchy stalowe ogniwowe techniczne kalibrowane i spawane lub zgrzewane stosuje się jako cięgna nośne przy udźwigu 150t i prędkości podnoszenia do 0,75 m/s oraz jako cięgna służące do przemieszczania i podnoszenia ładunków przy napędzie ręcznym. Przy udźwigu rzędu 15 do 30t i prędkości do 0,5m/s stosuje się łańcuchy sworzniowo płytkowe, pewniejsze w pracy od łańcuchów ogniwowych lecz znacznie cięższe i droższe.  Wykonuje się je ze stali o wytrzymałości 500 do 600 MPa.

1. Haki

1. DOBÓR ELEMENTÓW Z KATALOGÓW

   1. Silnik

1. Przekładnia

PRZEKŁADNIA WALCOWA PŁASKA

Przekładnie walcowe-płaskie stanowią modyfikację przekładni walcowych. W ich konstrukcji zwrócono szczególną uwagę na oszczędność miejsca zabudowy oraz masy reduktora.

Opis	typ	zakres przełożeń	maksymalny moment nominalny
przekładnie dwustopniowe	FZ28B, FZ38B, FZ48B, FZ68B, FZ88B, FZ108B, FZ128B, FZ148B, FZ168B, FZ188B,	Od 3,8 Do 450	Od 150 Nm do 20000 Nm
przekładnie trzystopniowe	FD28B, FD38B, FD48B, FD68B, FD88B, FD108B, FD128B, FD148B, FD168B, FD188B,
Opcje Montażowe	Opcje wejściowe	Zastosowania
Wał pełny Wał drążony Pierścień zaciskowy Wieloklin Łapy montażowe Kołnierz montażowy Ramię reakcyjne	Silnik asynchroniczny Silnik EEXe-, EEXxd(e) Silnik Servo Hamulec, enkoder, obce przewietrzanie Wał pełny na wejściu Kołnierze wejściowe IEC/NEMA Platformy silnikowe	Mieszadła Suwnice Przenośniki Dźwignice Pompy Młyny Ekstrudery

1. Lina

Średnica nominalna [mm]	Nominalna masa [kg/mb]	Minimalna siła zrywająca dla lin dźwigowych 8-splotkowych [kN]
		Podwójna wytrzymałość 1370/1770 N/mm^2
8	0,218	28,1
9	0,275	35,6
10	0,340	44,0
11	0,414	53,2
12	0,490	63,3
13	0,575	74,3
14	0,666	86,1
15	0,765	98,9
16	0,870	113,0
18	1,100	142,0

1. Hak