background image

 

Politechnika Warszawska 

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych 

Instytut Maszyn Roboczych Ciężkich 

 

 
 
 
 
 
 
 

Laboratorium Dźwignic 

 
 
 
 

 
 

Ćwiczenie D3 

 

Obciążenia dźwignic. 

Siły dynamiczne podnoszenia. 

 

 

Wersja robocza 

Tylko do użytku wewnętrznego SiMR PW 

 

 
 
 
 
 
 
 
 

Opracowanie: 

  

Dr inż. Artur Jankowiak 

 
 

 
 
 
 

Warszawa 2010 

Wszelkie prawa zastrzeżone 

background image

 

1. CEL ĆWICZENIA 
 

Celem  ćwiczenia  jest  zapoznanie  studentów  z  zagadnieniami  obciążeń  dźwignic 

związanych  z  pracą  mechanizmów  podnoszenia.  W  ćwiczeniu  studenci  dokonują 
oceny  sił  dynamicznych  na  bazie  teoretycznej  i  zaleceń  norm  branżowych  oraz 
weryfikują  uzyskane  wartości  poprzez  pomiary  sił  w  mechanizmie  podnoszenia 
suwnicy bramowej. 

 

2. WPROWADZENIE  

Podczas  pracy  urządzeń  dźwignicowych  na  mechanizmy  podnoszenia  i  tym  samym  na 

konstrukcję  nośną  dźwignicy  oprócz  podstawowych  obciążeń  (siła  ciężkości  ładunku  oraz 
elementów  własnych)  pojawiają  się  obciążenia  (siły)  dynamiczne.  Powoduje  to  sprężystość 
każdego ustroju nośnego oraz cięgnowego (każda zmiana obciążenia wywołuje drgania). Siły 
dynamiczne  przy  podnoszeniu  /  opuszczaniu  ładunku  mają  kierunek  pionowy  i  występują 
przede wszystkim w przypadkach: 

 

  podnoszenia ładunku z podłoża przy linach wstępnie napiętych, 

  podnoszenia ładunku z podłoża przy linach bez napięcia wstępnego, 

  rozpoczęcie podnoszenia / opuszczania ładunku wiszącego już na linach, 

  hamowania ruchu przy podnoszeniu / opuszczaniu ładunku. 

 

Największe siły dynamiczne pojawiają się w przypadku podnoszenia ładunku z podłoża 

przy luźnych cięgnach – przypadek ten nazywany jest poderwaniem ładunku. 

 
W  celu  analitycznego  wyznaczenia  obciążeń  dynamicznych  (w  niniejszym  przypadku 

chodzi  głównie  o  oddziaływanie  podnoszonych  mas  na  ustrój  nośny),  niezbędne  jest 
przyjęcie  odpowiedniego  modelu  i  co  się  z  tym  wiąże  wyznaczenie  mas  (rzeczywistych  i 
zastępczych)  oraz  sztywności  więzi  sprężystych.  W  praktyce  przyjmuje  się  modele  jedno, 
dwu  lub  trójmasowe  oraz  redukuje  się  wszystkie  masy  układu  rzeczywistego  do 
najdogodniejszych punktów. Należy przy tym pamiętać, że sztywność konstrukcji nośnej jest 
ściśle  związana  z  miejscem  przyłożenia  obciążenia.  Z  tego  tytułu  do  obliczeń  modelowych 
przyjmuje się sztywności układu odpowiadające punktom redukcji mas. 

 
Model dynamiczny suwnicy 
Doświadczenie  wskazuje,  że  do  opisu  oddziaływania  podnoszonego  ciężaru  na  ustrój 

nośny  (z  zadowalającą  dokładnością)  można  zastąpić  rzeczywisty  -  złożony,  wielomasowy 
układ, odpowiednio dobranym modelem jednomasowym. 

W  przypadku  suwnic  pomostowych  i  bramowych  mamy  następujące  elementy 

charakterystyczne (rys. 1a): konstrukcja nośna o masie zredukowanej m

KN

 i sztywności k

KN

wciągarka  lub  wciągnik  o  masie  m

W

,  cięgna  nośne  o  sztywności  k

l

  (masę  cięgien  w  tej 

analizie można pominąć), zblocze o masie (m

Z

) oraz podnoszony ładunek o masie (m

Ł

).  

Ze  względu  na  charakter  pracy  tych  urządzeń,  można  założyć,  iż  punkt  przyłożenia 

obciążenia  od  podnoszonej  masy  pokrywa  się  ze  środkiem  masy  wciągnika.  Wraz  z 
zazwyczaj  sztywnym  powiązaniem  wciągnika  z  dźwigarem  pozwala  to  na  traktowanie 
zredukowanej  masy  konstrukcji  nośnej  oraz  masy  wciągnika  łącznie  -  jako  masę  układu 
podtrzymującego (m

UP

) (rys. 1b). 

 

W

KN

UP

m

m

m

+

=

                                                              (1) 

 

background image

 

m

k

KN

Podobnie,  razem  można  potraktować  masę  ładunku  oraz  masę  zblocza  i  traktować  jako 

masę obciążenia m

Q

 (rys. 1b). 

Ł

Z

Q

m

m

m

+

=

   

 

 

 

 

    (2) 

 
 W efekcie uzyskuje się model dwumasowy układu rzeczywistego (rys. 1c). W zależności 

od typu konstrukcji nośnej suwnicy różna będzie sztywność k

KN

 

Rys.1. – Model dynamiczny suwnicy: a) elementy i masy charakterystyczne, b) model 

dwumasowy - schemat układu, c) zastępczy model dwumasowy  

 
Dla  suwnic  pomostowych  przyjmuje  się,  że  dźwigar  suwnicy  -  poprzez  sztywny  zespół 

czołownic i zestawy kołowe - podparty jest podobnie jak belka z jedną podporą stałą a drugą 
przesuwną. Dla suwnic bramowych, w których dźwigary są zazwyczaj sztywno związane ze 
słupami,  takie  założenie  byłoby  nadmiernym  uproszczeniem.  W  tej  sytuacji  wyznaczając 
sztywność  konstrukcji  nośnej  należałoby  rozpatrzyć  układ  ramowy  osadzony  na  jednej 
podporze  stałej  a  drugiej  ruchomej.  W  praktyce  inżynierskiej  bywa  to  uciążliwe,  gdyż 
konstrukcje  suwnic  bramowych  rzadko  odpowiadają  typowym  układom  z  powszechnie 
znanymi  rozwiązaniami  analitycznymi.  Można  przyjąć  słupy  ze  względu  na  naturalną  dużo 
większą  sztywność  (elementy  ściskane)  niż  dźwigar  (element  zginany)  jako  sztywne 
osadzenie

1

. Wyznaczając sztywność można się też posłużyć MES lub skorzystać z pomiaru. 

Często  (szczególnie  dla  wielopasmowych  układów  podnoszenia  przy  dużej  rozpiętości 

suwnicy)  sztywność  układu  cięgien  nośnych  k

l

  jest  zdecydowanie  większa  niż  sztywność 

konstrukcji  nośnej  k

KN

.  Poza  tym  drgania  w  linach  są  silnie  tłumione  przez  występujące  w 

nich siły tarcia, co powoduje, że bardzo szybko drgania masy m

Q

 są identyczne z drganiami 

masy  m

UP

.  Zatem  we  wszystkich  przypadkach,  gdy  k

l

  >>  k

KN

  można  obie  masy  traktować 

jako związane ze sobą więzią idealnie sztywną. Wtedy masa obciążenia m

Q

 oraz masa układu 

podtrzymującego m

UP

 tworzą jednomasowy model dynamiczny o sztywności k

KN

 oraz masie 

m (Rys.2.) 

 

 
 

Q

UP

m

m

m

+

=

                                                     (3)  

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys.2. – Model dynamiczny suwnicy: zastępczy model jednomasowy 

                                                 

1

  W  rzeczywistości  dźwigar  powinien  być  również  dostatecznie  sztywny,  gdyż  w  suwnicach  bramowych  przy 

zazwyczaj  występującej  dużej  sztywności  słupów  istnieje  ryzyko  wystąpienia  zjawiska  „rozchodzenia  się” 
dolnej części suwnicy (oddalają się osie wzdłużne zestawów kołowych). Z tego tytułu stosuje się odpowiednio 
sztywne mosty lub dodatkowe elementy powodujące „przesztywnienie” dźwigara. 

m

UP

m

Q

k

l

k

KN

m

UP

m

Q

k

l

k

KN

a)

b)

c)

m

KN

, k

KN

m

W

k

l

m

Ł

m

Z

background image

 

Opisane  powyżej  ujęcie  jest  typowe  dla  wszystkich  przybliżonych  metod  określania  sił 

dynamicznych  od  podnoszonego  ładunku.  Niekiedy  (szczególnie  dla  przypadków,  gdy 
sztywność  lin  nie  jest  istotnie  większa)  postuluje  się  uwzględnienie  również  ich  ugięcia  w 
obliczeniach sił dynamicznych z wykorzystaniem tego prostego modelu.  

Przyjmując oznaczenia z rysunku 2 równanie ruchu można zapisać następująco: 
 

 

mg

y

k

y

m

KN

=

+

 

 

 

 

 

    (4) 

 
Rozwiązanie ogólne tego równania: 
 

KN

k

mg

t

B

t

A

y

+

+

=

0

0

sin

cos

ω

ω

 

 

 

     

    (5) 

 
Największa  siła  dynamiczna  będzie  występować  w  przypadku  podrywania  ładunku  z 

podłoża.  W  pierwszej  fazie  ruchu  podnoszenia  układ  napędowy  wciągnika  kasuje  luz,  co 
następuje ze stałą prędkością skracania cięgien v. Prędkość podnoszenia masy m na początku 
drugiej fazy można wyznaczyć z zasady zachowania pędu. 

 

0

=

y

m

v

m

Q

 

 

 

 

 

     

    (6) 

 

Wynika z tego, że 

m

v

m

y

Q

/

0

=

. Ugięcie początkowe układu w chwili t

0

 = 0 wyznaczone 

z  równania  (5)  wynosi  y

=  mg/k

KN

.  Stałe  wynoszą  odpowiednio  A  =  0  i  B  =  m

Q

v

  /  mω

0

Wynika stąd zależność: 

 

   

t

m

v

m

k

mg

y

Q

KN

0

0

sin

ω

ω

+

=

 

 

 

     

     

    (7) 

 
Pierwszy  czynnik  równania  (7)  oznacza  oczywiście  ugięcie  początkowe,  natomiast  z 

drugiego wynika, iż maksymalna amplituda odkształcenia w ruchu drgającym wyniesie: 

 

           

0

max

ω

m

v

m

y

Q

d

=

 

 

 

     

        

 

    (8) 

 

Oznacza to, że maksymalna siła dynamiczna dla przypadku podrywania jest równa: 
 

0

max

max

ω

m

k

v

m

k

y

F

KN

Q

KN

d

d

=

=

   

     

        

 

    (9) 

 

Wprowadzając do równania ω

0

2

 = k

KN

/m oraz f = y

0

 = mg/k

KN

 otrzymuje się ostatecznie: 

 

     

f

g

v

g

m

F

Q

d

=

max

   

 

 

 

  (10) 

 

gdzie:  f  –  przemieszczenie  zredukowanego  środka  masy  układu  o  sztywności  k

KN

 

odpowiadające  obciążeniu  zastępczemu  m.  Ponieważ  dogodniej  posługiwać  się  prędkością 
nominalną  podnoszenia  w  liczniku  wzoru  (10)  wielkość  chwilową  prędkości  „v”  można 

background image

 

zastąpić  wyrażeniem  ξv

p

,  gdzie  ξ  jest  współczynnikiem  uwzględniającym  warunki  ruchowe 

mechanizmu podnoszenia. W układach bez regulacji prędkości ξ = 1. W powyższym wzorze 
czynnik z pierwiastkiem w mianowniku nazywany jest nadwyżką dynamiczną i oznaczany ψ. 
Oznacza  on  jak  dużo  dodatkowej  siły  w  stosunku  do  tej  wynikającej  z  ładunku  (m

Q

g) 

pojawiło się w układzie podnoszenia. 

 

Siły dynamiczne w ujęciu normowym 
Zbliżone rozumowanie przeprowadza się przy przygotowaniu norm w części dotyczącej 

określania  obciążeń  dynamicznych  w  mechanizmach  podnoszenia.  Stosuje  się  układ 
dynamiczny zredukowany  do modelu jednomasowego. Masy układu redukuje się do środka 
ciężkości  masy  podnoszonego  ładunku,  a  sztywność  przyjmuje  się  nieco  inaczej  niż  w 
powyżej  pokazanych  rozważaniach  –  określa  się  sztywność  zastępczą  wynikającą  ze 
sztywności  konstrukcji  nośnej  i  cięgien  nośnych.  W  niniejszej  instrukcji  przedstawione 
zostaną dwa sposoby określania obciążeń dynamicznych – wymienione w normie [4] oraz w 
normie [3]. Norma [5] ze względu na zbliżone do [3] zasady wyznaczania sił dynamicznych 
zostanie tu pominięta. 

 
PN-M-06514:1986 
Norma  ta  nie  jest  już  obecnie  ważna

2

,  nie  mniej  jednak  dla  celów  porównawczych 

zostaną przedstawione główne zasady szacowania sił dynamicznych. 

Dokument ten rozróżnia: 

  największą wartość siły dynamicznej  - F

d max

 = d · F

Q

 

  przeciętną wartość siły dynamicznej   - F

d

 = 0.65·d·F

Q

 

 
Występujący  w  powyższych  zależnościach  współczynnik  dynamiczny  d  dobiera  się  z 

tabel  w  zależności  od  typu  dźwignicy  i  prędkości  podnoszenia.  Dla  suwnic  bramowych, 
hakowych wynosi on: 

 

 

- 0.16    

dla prędkości podnoszenia v

p

 ≤ 0.1 [m/s] 

 

 

- 1.60 · v

p

  

dla prędkości podnoszenia 0.1 [m/s] < v

p

 ≤ 1.00 [m/s] 

 

 

- 1.60   

dla prędkości podnoszenia v

p

 ≥ 1.00 [m/s] 

Wielkość  F

Q

  oznacza  siłę  udźwigu  (wynikającą  z  masy  podnoszonego  ładunku  i  masy 

zblocza lub innych urządzeń chwytnych). 

Obliczone  wg  powyższych  zasad  siły  dynamiczne  uwzględnia  się  w  obliczeniach 

inżynierskich dodając je do wartości siły udźwigu F

Q

 
PN-EN 13001-2:2007 
W tej normie wpływ sił dynamicznych określa współczynnik φ

2

. Jego wartość zależy od 

klasy  podnoszenia  suwnicy  (zależnie  od  sztywności  konstrukcji  nośnej  i  charakterystyk 
dynamicznych  układu  napędowego  -  wielkości  φ

2min

,  β

2

)  oraz  prędkości  podnoszenia 

(zależnie od możliwości sterowania prędkościami podnoszenia – wielkość v

h

). Wyrażany jest 

poniższym wzorem:   

 

 

 

 

 

φ

2

 = φ

2min 

+ β

2

· v

h

 

 
Dla  suwnic  bramowych  o  własnościach  urządzenia  dostępnego  w  ramach  ćwiczenia 

można  przyjąć  φ

2min

  =  1.20,  β

2

  =  0.68.  Prędkość  v

h

  podstawia  się  w  m/s  i  zależnie  od 

charakteru pracy i możliwości układu sterowania przyjąć jako nominalną lub dokładną. 

 Obliczony  wg  powyższych  zasad  wpływ  siły  dynamicznych  uwzględnia  się  w 

obliczeniach inżynierskich mnożąc współczynnik φ

2

 i siłę udźwigu m

g. 

 

                                                 

2

 Norma zastąpiona przez PN-ISO 8686:1999. 

background image

 

3. WYKONANIE ĆWICZENIA 

 

W  ćwiczeniu  przeprowadza  się  obliczeniowe  (na  przykładzie  dwóch  rzeczywistych 

suwnic – jednej pomostowej i jednej bramowej) oraz doświadczalne (dokonywane w oparciu 
o  zainstalowaną  w  laboratorium  suwnicę  bramową)  określenie  sił  dynamicznych  w 
mechanizmach podnoszenia suwnic.  

 
Istotne dla przeprowadzenia ćwiczenia parametry suwnic dostępne są na stanowisku. 

 

 

Przebieg ćwiczenia: 

  ogólne zadanie 

- w ćwiczeniu należy dokonać obliczeniowego oszacowania sił dynamicznych  (w 

oparciu  o  model  teoretyczny  i  normy  przedmiotowe)  oraz  wyznaczyć  siły 
dynamiczne od podnoszonego ładunku na podstawie pomiarów. 

 

  część obliczeniowa  

- wyznaczyć sztywności - oddzielnie dla cięgien nośnych oraz mostów obu suwnic. 
-  dodatkowo,  dla  suwnicy  bramowej  wyznaczyć  sztywność  konstrukcji  nośnej 

wprost z definicji sztywności wiedząc

3

, że dla tej suwnicy ugięcie dźwigara pod 

obciążeniem wynikającym z ładunku o masie 3125 [kg] wynosi 2.25 [mm].  

- obliczyć ugięcia konstrukcji nośnej f w połowie długości dźwigara wynikającej z 

przyłożenia w tym miejscu siły wynikającej z masy m

Q

 oraz zredukowanej masy 

własnej  dla  obu  suwnic  –  wykonać  to  dla  dwóch  przypadków:  obciążenie 
nominalne  na  haku  i  10%  obciążenia  nominalnego  (to  drugie  odpowiada 
obciążeniu, które będzie dostępne podczas części praktycznej). 

- obliczyć ugięcia lin suwnic dla obu wielkości obciążenia m

Q

.  

- korzystając z wyznaczonych ugięć obliczyć wartości nadwyżek dynamicznych na 

podstawie modelu teoretycznego (wzór 10) – w przypadkach z uwzględnieniem i 
bez uwzględnienia ugięcia lin. 

- wyznaczyć wartości sił dynamicznych wynikające z zaleceń obu przedstawionych 

w instrukcji norm przedmiotowych. 

  część praktyczna 

-  ustawić  suwnicę  w  miejscu  przeznaczonym  do  wykonania  ćwiczenia,  uzyskać 

położenie wciągnika w połowie dźwigara, opuścić zblocze,  

- podczepić ładunek (przygotowane dla celów ćwiczenia obciążniki) pamiętając o 

umieszczeniu czujnika siły pomiędzy ładunkiem a hakiem, 

-  uruchomić  układ  pomiarowy,  wykonać  kilka  ruchów  z  wykorzystaniem 

mechanizmu  podnoszenia  (podnoszenie  z  podłoża  przy  luźnych  linach, 
podnoszenie  z  podłoża  przy  wstępnie  napiętych  linach,  podnoszenie  „z 
powietrza”, hamowanie opuszczania), zarejestrować i zapisać wyniki pomiarów, 

-  podobną  procedurę  można  przeprowadzić  dla  innego  usytuowania  wciągnika  i 

ładunku na długości dźwigara oraz dla innych mas podnoszonego ładunku.  

 

  sprawozdanie 

-  w  sprawozdaniu  należy  przedstawić  obliczenia  sił  i  nadwyżek  dynamicznych  w 

oparciu o model teoretyczny oraz zalecenia normowe,  

-  przedstawić  zarejestrowane  na  stanowisku  przebiegi  sił  i  na  ich  podstawie 

określić siły dynamiczne, 

                                                 

3

 Ugięcie zmierzono metodą różnicową jako różnica położenia pionowego środka dźwigara bez obciążenia i pod 

obciążeniem. 

background image

 

- porównać wyniki obliczeniowe i uzyskane z pomiarów, 
- ocenić słuszność założeń i zastosowania uproszczonego modelu jednomasowego 

do opisu dynamiki badanej suwnicy,  

-  porównać  uzyskane  w  czasie  pomiarów  siły  dynamiczne  dla  różnych  ustawień 

wciągnika oraz dla różnych mas ładunku, 

- wyciągnąć wnioski. 

 
 

4. WYMAGANY ZAKRES WIADOMOŚCI OGÓLNYCH 

- pojęcie sztywności mechanicznej, 

- obliczanie ugięcia belek i ram statycznie wyznaczalnych, 

- krążki i wielokrążki – sprawności, przełożenia 

 

5. LITERATURA 
 

[1]  Piątkiewicz, A., Sobolski, R., „Dźwignice”, WNT, Warszawa, 1977. 

[2]  Borkowski,  W.,  Konopka,  S.,  Prochowski,  L.,  „Dynamika  maszyn  roboczych”,  WNT, 

Warszawa, 1996. 

[3]  PN-EN  13001-2  :  2007  „Bezpieczeństwo  dźwignic.  Ogólne  zasady  projektowania. 

Część 2: Obciążenia”. 

[4]  PN-M-06514  :  1986  „Dźwignice.  Obciążenia  w  obliczeniach  ustrojów  nośnych 

dźwignic”. 

[5]  PN-ISO  8686  :  1999  „Dźwignice.  Zasady  obliczania  i  kojarzenia  obciążeń. 

Postanowienia ogólne”. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

ZAŁĄCZNIK 1 

 
Dane suwnicy pomostowej dwudźwigarowej: 

 

 
H

p

          [m]     6.50   

- wysokość podnoszenia 

  [m]       5.00   

- długość pasm lin w momencie poderwania ładunku 

v

p

    [m/min]     6.00   

- prędkość podnoszenia nominalna 

v     [m/min]     6.00   

- prędkość podnoszenia w momencie poderwania  

v

pp  

 [m/min]     1.00   

- prędkość podnoszenia dokładna 

R  

   [m]   12.50   

- rozpiętość suwnicy 

I

XX

  

[cm

4

] 105700   

- moment bezwł. przekroju jednego dźwigara  

Q

N

         [kg]   15000   

- udźwig nominalny 

m

DZ

 

  [kg]  13000   

- masa dźwigara (m

KN

 = 0.5 m

DZ

m

W

 

  [kg]    4600   

- masa wciągarki 

m

Q

         [kg]     1500  

- masa ładunku równa 10% Q

 

E      [MPa]   205000   

- moduł Younga dla stali 

E

L

     [MPa]  145000   

- współczynnik sprężystości dla liny 

d         [mm]            8   

- średnica liny 

    [-]   0.433   

- wsp. powierzchni stalowej przekroju 

 [szt]          6   

- liczba pasm liny wielokrążka  

 
Dane suwnicy bramowej (w laboratorium): 

 

 
H

p

          [m]     6.00   

- wysokość podnoszenia 

  [m]       4.50   

- długość pasm lin w momencie poderwania ładunku 

v

p

    [m/min]     6.00   

- prędkość podnoszenia nominalna 

v     [m/min]     5.80   

- prędkość podnoszenia w momencie poderwania  

v

pp  

 [m/min]     1.00   

- prędkość podnoszenia dokładna 

R  

   [m]     4.52   

- rozpiętość suwnicy 

I

XX

  

[cm

4

]  22930   

- moment bezwł. przekroju dźwigara (dwuteownik) 

Q

N

         [kg]     2500   

- udźwig nominalny 

m

DZ

 

  [kg]      545   

- masa dźwigara (m

KN

 = 0.5 m

DZ

m

W

 

  [kg]      256   

- masa wciągnika 

m

Q

         [kg]     ~253  

-  masa  ładunku  wraz  z  elementami  chwytnymi 
(dokładną  wartość  podnoszonej  masy  można 
odczytać przed pomiarem z układu pomiarowego) 

E      [MPa]   205000   

- moduł Younga dla stali 

E

L

     [MPa]  145000   

- współczynnik sprężystości dla liny 

d         [mm]            7   

- średnica liny (lina 8x19W) 

    [-]   0.349   

- wsp. powierzchni stalowej przekroju  

 [szt]          4   

- liczba pasm liny wielokrążka