Praca maszyn górniczych w bardzo trudnych i zmiennych warunkach powoduje, że ich zespoły robocze są poddawane obciążeniom udarowym. Ocenia się, że ok. 80-90% pęknięć konstrukcji nośnych tych maszyn ma charakter zmęczeniowy. Wyniki wielu badań eksperymentalnych wskazują, że uszkodzenia eksploatacyjne elementów konstrukcyjnych inicjowane są i powstają głównie w wyniku lokalnego uplastycznienia materiału w strefach, w których występuje największa kumulacja naprężeń.
Marek Kalita
Maszynami służącymi do ładowania odstrzelonego urobku w kopalniach węgla kamiennego są przemieszczające się na podwoziu gąsienicowym ładowarki bocznie wysypujące.
Z analizy uszkodzeń ładowarek wynika, że większość zarejestrowanych uszkodzeń miało charakter zmęczeniowy. Uszkodzenia te powstawały w miejscach łączenia poszczególnych elementów konstrukcji oraz w miejscach występowania karbów technologicznych.
Obiekt badań
Obiektem badań był zespół ładujący (rys. 1) ładowarki bocznie wysypującej ŁBT-1200EH/LS-A produkowanej przez Zakłady Mechaniczne BUMAR ŁABĘDY S.A (rys. 2). Czerpak (poz. 3), wahacz (poz. 2) i wysięgnik teleskopowy (poz. 1) są połączone z podwoziem gąsienicowym za pomocą obrotnicy (poz. 4), umożliwiającej wychylanie wysięgnika w płaszczyźnie poziomej. Dwuczłonowy wysięgnik teleskopowy składa się z ramienia zewnętrznego oraz wysuwnego ramienia wewnętrznego. Czerpak ładowarki, połączony przegubowo z wysięgnikiem, za pomocą wahacza umożliwia prawidłowe napełnianie czerpaka urobkiem oraz wychylanie go, w zależności od potrzeb, na lewą bądź prawą stronę maszyny.
Rys. 1 Zespół ładujący ładowarki ŁBT-1200EH/LS-A
Doświadczenia eksploatacyjne z zastosowaniem ładowarki wykazały, że konstrukcja zespołu ładującego nie była w stanie sprostać wymaganiom stawianym jej podczas przemieszczania urobku, czego efektem były przypadki uszkodzeń powstających w elementach zespołu ładującego.
Rys. 2 Ładowarka bocznie wysypująca ŁBT-1200EH/LS-A
W celu zwiększenia trwałości maszyny, jej zespół roboczy poddano modernizacji. Wprowadzone w konstrukcji zmiany polegały przede wszystkim na wprowadzeniu dodatkowych wzmocnień oraz zwiększeniu przekrojów poprzecznych wytypowanych elementów. Dokonane zmiany poprawiły sprawność eksploatacyjną maszyny, jednak nie wyeliminowały całkowicie wszystkich problemów.
W związku z powyższym, w celu określenia przyczyn powstających uszkodzeń, przeprowadzono badania weryfikujące stan naprężenia, które posłużyły do wyznaczenia kierunków dalszej modernizacji badanego układu.
Badania zespołu ładującego
W celu identyfikacji obciążeń działających na zespół ładujący ładowarki przeprowadzono analizę jego cyklu pracy pod kątem wyznaczenia charakterystycznych faz i położeń. Przeprowadzona analiza statyczna charakterystycznych położeń zespołu ładującego miała na celu wyznaczenie wartości obciążeń w poszczególnych węzłach konstrukcji. Analiza otrzymanych wartości obciążeń wykazała, że najbardziej niekorzystnym, pod względem wartości wyznaczonych reakcji, jest przypadek wbijania czerpaka w zwał urobku, z wysięgnikiem maksymalnie wysuniętym (rys. 3). 
Rys. 3 Wartości obciążeń dla pracy zespołu ładującego z wysuniętym wysięgnikiem
Wyznaczone wartości sił w poszczególnych węzłach konstrukcji stanowiły dane wejściowe do analizy wytrzymałościowej z zastosowaniem MES. Do obliczeń przyjęto wartości sił zewnętrznych wyznaczonych w analizie statycznej, powiększonych o wyznaczony współczynnik nadwyżki dynamicznej nd.
Celem analizy wytrzymałościowej było uzyskanie informacji o stanie naprężenia, jaki powstaje w elementach składowych wysięgnika teleskopowego pod wpływem obciążeń zewnętrznych.
Znajomość wartości składowych stanu naprężeń w wysięgniku teleskopowym pozwoliła na ocenę stanu jego wytężenia. Informacje o wartościach i rozkładzie składowych stanu naprężenia umożliwiły wytypowanie węzłów konstrukcyjnych, które z uwagi na możliwości powstania uszkodzeń podczas eksploatacji maszyny, powinny zostać wzmocnione.
W niniejszym artykule ograniczono się jedynie do podania wyników analizy wytrzymałościowej wysięgnika teleskopowego dla najbardziej niekorzystnych dwóch przypadków pracy ładowarki: przy maksymalnej i minimalnej długości wysięgnika (rys. 4 i 5).
Rys. 4 Mapa naprężenia zredukowanego na zewnętrznej powierzchni wysięgnika
(wysięgnik wysunięty) 
Rys. 5 Mapa naprężenia zredukowanego na zewnętrznej powierzchni wysięgnika
(wysięgnik zsunięty)
Na podstawie dokumentacji technicznej maszyny zbudowano model geometryczny wysięgnika. Dla uzyskanego modelu geometrycznego utworzono siatkę elementów skończonych. Cylindry hydrauliczne zamodelowano jako elementy prętowe BAR2. Model posiadał 1,26 mln stopni swobody. Założono, że wszystkie elementy wykonane będą z materiału liniowo-sprężystego o następujących parametrach:
- Moduł Younga
- Liczba Poissona
- Gęstość materiału ς = 7850kg/m3.
Do obliczeń statycznych, w zakresie liniowo-sprężystym, wykorzystano pakiet oprogramowania firmy MSC Patran/Nastran.
Na rysunku 4 przedstawiono rozkład naprężenia zredukowanego σz, w oparciu o hipotezę Hubera-von Misesa, na konstrukcji wysięgnika maksymalnie wysuniętego (wariant A). Największe naprężenie zredukowane σz występowało w środkowej części ramienia zewnętrznego i osiągało wartość ok. 290 MPa.
Na rysunku 5 przedstawiono rozkład naprężenia zredukowanego σz na elementach wysięgnika całkowicie zsuniętego (wariant B). Największe naprężenie zredukowane σz występowało, podobnie jak dla wariantu A, w środkowej części ramienia zewnętrznego, i miało wartości ok. 230 MPa.
Wariant B, w którym ramię wewnętrzne wysięgnika teleskopowego było całkowicie zsunięte, okazał się korzystniejszy, ze względu na wartości naprężeń i odkształceń. Otrzymane wartości naprężenia i przemieszczenia (nie zamieszczono map przemieszczeń) w stosunku do przypadku ramienia wewnętrznego maksymalnie wysuniętego były mniejsze. Zwiększenie wartości obciążenia zewnętrznego, przy jednoczesnym wysunięciu ramienia wewnętrznego (wariant A), powodowało wzrost wartości naprężenia zredukowanego w wysięgniku.
Tab. 1 Wartości naprężenia zredukowanego
Największe wartości naprężenia zredukowanego wystąpiły w środkowej części ramienia zewnętrznego. Spowodowane było to karbem technologicznym powstałym w wyniku połączenia trzech blach położonych wzdłużnie z blachą poprzeczną.
W tabeli 1 zestawiono wartości naprężenia zredukowanego w dziesięciu punktach konstrukcji wysięgnika, uzyskanych w wyniku przeprowadzonych numerycznych obliczeń wytrzymałościowych dla analizowanych wariantów, oraz zmianę naprężenia Ds, spowodowaną zmianą długości wysięgnika.
Otrzymane wyniki pozwoliły na określenie miejsc, w których występowała koncentracja naprężeń. Były to, przede wszystkim, miejsca łączenia poszczególnych elementów konstrukcyjnych (blach) konstrukcji spawanej zespołów wysięgnika teleskopowego. Wyznaczone miejsca koncentracji naprężeń były jednocześnie potencjalnymi obszarami, w których mogłoby dochodzić do uszkodzeń.
Uzyskane wyniki analizy wytrzymałościowej (MES) zweryfikowano na obiekcie rzeczywistym, wyznaczając stan odkształcenia i naprężenia z wykorzystaniem tensometrii oporowej. Punktami pomiarowymi były, wyznaczone przy pomocy MES, miejsca koncentracji naprężeń.
Zbudowane stanowisko badawcze (rys. 6) pozwoliło na wyznaczenie naprężeń zredukowanych w wybranych punktach konstrukcji wysięgnika oraz, za pomocą sworzni pomiarowych (rys. 7), na zweryfikowanie obciążeń w poszczególnych przegubach zespołu ładującego.
Rys. 6 Stanowisko badawcze
Na stanowisku badawczym przeprowadzono symulację pracy zespołu ładującego odpowiadającą procesowi wbijania (zagłębiania) czerpaka w zwał urobku. Siła obciążająca czerpak była zadawana za pomocą siłownika hydraulicznego.
Przeprowadzone badania stanu naprężenia w wybranych punktach konstrukcji wysięgnika teleskopowego umożliwiły wyznaczenie obciążeń w sworzniach pomiarowych, stanu naprężenia elementów wysięgnika teleskopowego oraz zweryfikowanie założeń przyjętych na etapie analizy wytrzymałościowej. Wyniki badań potwierdziły wartości sił w poszczególnych połączeniach sworzniowych konstrukcji wysięgnika wyznaczone za pomocą metody MES. Rozbieżność otrzymanych wartości naprężeń, w tych samych punktach pomiarowych, uzyskanych drogą analizy wytrzymałościowej oraz wyznaczonych przy użyciu tensometrii oporowej wynosiła ok. 15%.
Podsumowanie
W artykule przedstawiono wyniki prac badawczych dotyczących konstrukcji zespołu ładującego ładowarki górniczej, które pozwoliły na wyznaczenie stanu naprężenia i przemieszczenia elementów wysięgnika teleskopowego oraz sił w poszczególnych węzłach kinematycznych badanej konstrukcji.
Prace badawcze poprzedzono wykonaniem szeregu analiz wytrzymałościowych i obliczeń analitycznych, które zweryfikowano badaniami stanowiskowymi na obiekcie rzeczywistym. Zbudowane stanowisko badawcze pozwoliło na symulację pracy zespołu ładującego ładowarki odpowiadającą warunkom występującym na kopalni. 
Rys. 7 Sworzeń pomiarowy
Przeprowadzona analiza wytrzymałościowa metodą elementów skończonych (MES) pozwoliła na określenie obciążeń w poszczególnych węzłach konstrukcji wysięgnika teleskopowego oraz stanu naprężenia w jego elementach. Wyniki obliczeń MES wykorzystano do określenia miejsc pomiarów odkształceń (naprężeń) podczas badań na obiekcie rzeczywistym.
Wyniki analizy wytrzymałościowej (MES) elementów konstrukcyjnych wysięgnika teleskopowego ładowarki oraz wyznaczone naprężenia zredukowane metodą tensometrii oporowej pozwoliły na stwierdzenie, że:
- w konstrukcji wysięgnika teleskopowego występuje koncentracja naprężeń głównie w obszarach złączy spawanych środkowej części ramienia zewnętrznego oraz przedniej części ramienia wewnętrznego,
- główną przyczyną koncentracji naprężeń w konstrukcji są karby technologiczne i spawalnicze.
Wyniki badań pozwoliły na modernizację konstrukcji wysięgnika teleskopowego poprzez zmiany konstrukcyjne układu prowadzenia ramienia wewnętrznego wysięgnika teleskopowego.
Marek Kalita
Instytut Techniki Górniczej KOMAG w Gliwicach
Literatura
Karoliński J., Przybyłek G., Rusiński E.: Statyczna i dynamiczna analiza wysięgnika teleskopowego samojezdnej maszyny górniczej. Systems: journal of transdisciplinary systems scence. 2004, Vol. 9, No. sp. II, s. 503-518
Klich A.: Praca zbiorowa. Maszyny i urządzenia dla inżynierii budownictwa podziemnego. Wyrobiska korytarzowe i szybowe w górnictwie, Katowice 1999.
Kocańda S.: Zmęczeniowe zniszczenie metali. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1978.
Rusiński E., Moczko P., Kanczewski K.: Przyczyny zniszczenia wysięgnika ładowarki pracującej w podziemnej kopalni miedzi. Przegląd Mechaniczny nr 2, 2006, s. 34-38.
Rusiński E., Moczko P.: Przyczyny uszkodzeń dźwigarów ramy podwozia koparki wielonaczyniowej. Przegląd Mechaniczny nr 4 2002 s. 28-32.
Seweryn A.: Kumulacja uszkodzeń i pęknięć elementów konstrukcyjnych w złożonych stanach obciążenia. Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Białystok 1997.
Wolny S. Kalita M.: Badania wytrzymałościowe konstrukcji wysięgnika teleskopowego ładowarki górniczej. Prace naukowe – Monografia nr 31, Gliwice, 2010.
Wolny S. Kalita M.: Próba oceny trwałości wysięgnika teleskopowego ładowarki górniczej, Konferencja „Komtech 2008” „Nowoczesne, Niezawodne i Bezpieczne Systemy Mechanizacyjne dla Górnictwa” Monografia, Gliwice 2008, s. 167-177.
artykuł pochodzi z wydania 7/8 (70/71) lipiec/sierpień 2013
