Inovatívne riešenie stroja UDS 132
V súčasnosti sa v oblasti vývoja mobilných pracovných strojov využíva princíp navrhovania modulárnych flexibilných konštrukcií. Vytvárajú sa variantné konštrukcie strojov z dôvodu dosiahnutia väčšej efektívnosti, menšej ekonomickej náročnosti, a to pri zachovaní realizácie viacerých pokrokových pracovných technológií. Príkladom môžu byť rýpadlo-nakladače alebo skrejper–dozéry, ktoré sa radia medzi skupiny strojov, ktoré využívajú výhody a možnosti realizácie pracovných činností dvoch typovo rozdielnych strojov. V súčasnom období vývoja nedochádza len ku kombinovaniu strojov po typologickej stránke, ale tiež z hľadiska flexibility a využívania jednotlivých stavebných modulov. Snaha do budúcnosti je vytvárať mobilné stroje, ktoré budú zodpovedať nielen bezpečnostnými požiadavkami a funkčnosťou, ale budú dosahovať aj lepšie prevádzkové parametre, napr. vyššie prepravné rýchlosti v kombinovaní s požadovanými pracovnými výkonmi.
Z dôvodu dosahovania čo najväčšej prepravnej rýchlosti je dnes v popredí snaha o nahradenie sériového automobilového podvozku za samohybný podvozok. Zámerom je zníženie prevádzkových nákladov vráta necestnej dane a zákonného poistenia. Medzi riešenia ako zabezpečiť uvedenú skutočnosť patrí aj návrh prestaviteľnej kabíny, ktorá by bola použiteľná v rôznych situáciách a polohách stroja. Koncepcie prestaviteľných kabín v súčasnej dobe pri sprísňovaní nárokov na bezpečnosť už nie sú len futuristickými dielami. V tejto oblasti návrhov konštrukcie sa presadili firmy ako je Volvo, Hyundai, Hitachi alebo Caterpillar. Navrhnuté kabíny sú bežne využívané pri práci s účelovými pracovnými zariadeniami ako je znázornené na obr. 1 [5], [6].
Polohovateľné kabíny na mobilných pracovných strojoch prioritne spĺňajú potrebu zlepšenia viditeľnosti, a teda aj bezpečnosti pri práci. Väčšina konštrukcií na zdvih kabíny od spoločností ako Caterpillar alebo Hyundaije robustná s veľkou hmotnosťou, nevhodnou pri preprave stroja vyššími rýchlosťami. Vývoj v tejto oblasti je zameraný na stroje vhodné na prepravu po pozemných komunikáciách, čo znamená, že stroj je limitovaný hmotnosťou do 18 t [3].
V dôsledku tejto skutočnosti bola navrhnutá aj konštrukcia UDS 132, ktorá ponúka modulárne variantné riešenie, spĺňajúce hmotnostné požiadavky na prepravu po cestných komunikáciách. Stroj tiež disponuje polohovateľnou kabínou ako je znázornené na obr. 2 [2]. Proces vývoja a inovácie stroja s označením UDS 132 priniesli myšlienku, ktorá predstavovala využitie jednej kabíny polohovateľnej vo viacerých smeroch. Dôvodom tohto kroku sú výhody ako zníženie dynamických vplyvov na obsluhu, zníženie nákladov, zníženie hmotnosti stroja, zlepšenie viditeľnosti, stability, pracovných dosahov, a to všetko pri súčasnom zabezpečení vyšších prepravných rýchlostí [3].
Na obr. 2 je znázornený návrh kabíny inovovaného typu stroja v zmysle platných predpisov a noriem. Kabína je uložená na mechanizme, ktorý umožňuje pohyb vo vertikálnom aj horizontálnom smere, pričom väčšina hlavných modulov ostáva nezmenená aj po adaptácii novej mechanicko-hydraulickej konštrukcie, obr. 3.
Konštrukcia sa skladá z dvoch rámových nosičov vyhotovených z bežne dostupných profilov, ktoré sa pohybujú po U-profiloch za pomoci excentricky kombinovaných ložísk. Excentricky kombinované ložiská zvládajú veľké radiálne aj axiálne zaťaženia. U-profily horizontálneho nosiča sú privarené o nadstavbu a vodiace vertikálne U-profily sú súčasťou horizontálneho nosiča. Dvojnásobná výška zdvihu vo vertikálnom smere je zabezpečená dvojicou valčekových reťazí navrhnutých podľa požiadaviek ISO R606. Vertikálny pohyb mechanizmu označovaný ako „simplex“ je bežne využívaný pri zdvíhacích zariadeniach vysokozdvižných vozíkov, obr. 4 [1], [2].
Z dôvodu verifikácie dimenzovania navrhnutej koncepcie boli analyzované medzné stavy, ktorým je mechanizmus vystavený. Vykonaný bol tiež kontrolný výpočet priamočiarych hydromotorov a kontrola reťazí, kde požadovaný súčiniteľ statickej aj dynamickej bezpečnosti dosahoval takmer dvojnásobné hodnoty. Dôraz pri návrhu mechanizmu bol kladený práve na rozloženie zaťažení ako je znázornené na obr. 5 a na dimenzovanie ložísk, ktoré sú vystavené nasledovným zaťaženiam:
- Zaťaženia na ložiská od vlastných tiaží
- Zaťaženia na ložiská od otáčania nadstavby
- Zaťaženia na ložiská pri brzdení vozidla
Po analýze došlo ku zisteniu, že najväčšie silové pôsobenia budú na ložiská pôsobiť práve pri otáčaní nadstavby, a to na horizontálny nosič konštrukcie. Určenie momentov a vektorov dynamických síl a ich orientácie sú odvodené od otáčok rotačného hydromotora pre pohon nadstavby a z rozstupovej kružnici pastorku podľa vzťahu:
Následne bol určený moment k osi otoče podľa vzťahu (2) a uhlová rýchlosť, ktorá je závislá odpočtu zubov pastorka a počtu zubov veľko-rozmerového ložiska otáčania nadstavby:
Pri ďalších výpočtoch bolo uvažované s momentom zotrvačnosti otočnej nadstavby so zasunutým pracovným zariadením bez bremena v dôsledku možnosti dosiahnutia väčšieho uhlového zrýchlenia. Pre určenie momentu zotrvačnosti k osi otáčania bola použitá Steinerova veta:
Z určeného momentu k osi otoče v závislosti od sily Fmax (1) a momentu zotrvačnosti bolo stanovené uhlové a obvodové zrýchlenie. Určená tangenciálna zotrvačná sila dosiahla hodnotu 899,2 N a radiálna (odstredivá) zotrvačná sila hodnotu 3 401 N. Rozklad síl pri otáčaní nadstavby bol určený podľa schém znázornených na obr. 6.
V pozdĺžnom a priečnom smere boli axiálne aj radiálne zaťaženia na ložiská určené z rozkladu síl a rovníc rovnováhy. Najväčšia sila vzniká na predné ložisko (označenie A, obr. 5), jej veľkosť dosiahla hodnotu 20 753 N. Aj napriek pomerne vysokým vznikajúcim silám ložiská z hľadiska dimenzovania vyhovujú, a to s veľkou bezpečnosťou. Hodinová trvanlivosť vypočítaná podľa vzťahu (5) dosiahla hodnotu 17 571 hod. Dynamická analýza teda preukázala správnosť návrhu.
Pri návrhu mechanizmu bol kladený mimoriadny dôraz na bezpečnosť zariadenia. V dôsledku toho boli navrhnuté pre priamočiare motory pretlakové ventily riadené preťažením. Ostatné prvky hydraulického systému pre pohon nadstavby aj pracovného zariadenia sú uložené na pravej strane nadstavby s ohľadom na rovnomerné rozloženie zaťaženia nadstavby. Vykonaná bola analýza výhľadových zón znázornená na obr. 5. Analyzované bolo blízke aj vzdialené zorné pole operátora, a to pre každú polohu kabíny podľa normy ISO 5006, obr. 7.
Vo všeobecnosti mechanizmus kabíny zabezpečuje tri možné, funkčne dôležité polohy–prepravnú, pracovnú a polohu so zlepšenou viditeľnosťou. Pri prepravnej polohe je kabína spustená na podvozok a zastabilizovaná čapom na ráme podvozku. Pri polohe so zlepšenou viditeľnosťou je zabezpečená flexibilita, a teda rôzne rozsahy vysúvania v horizontálnom aj vertikálnom smere v rámci kinematických možností navrhnutého zariadenia. Návrh celkového stroja bol v súčasnosti doplnený aj z hľadiska ekológie preferovanou alternatívou hybridného pohonu.
Pre úplnosť riešení a problematiky bolo navrhnuté dizajnové riešenie spolu s kontrolou stability a určením reálnych pracovných dosahov. Návrh stroja možno považovať za stroj novej generácie, rozširujúci variantné modulárne koncepcie UDS 132. Svojou kompaktnosťou a možnosťami spĺňa požadované funkčné a bezpečnostné požiadavky a to pri akceptovaní a zachovaní všetkých súčasne platných štandardov [4].
Ing. Viktória Chovančíková
Ústav dopravnej techniky a konštruovania,
Strojnícka fakulta STU v Bratislave
Tento príspevok vznikol s podporou Agentúry na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-15-0524.
LITERATÚRA:
[1] MAZURKIEVIČ I.,GULAN L.,IZRAEL G.: Mobilné pracovné stroje – Jednoučelové stroje a zariadenia. Bratislava: Slovenská technická univerzita, 2014. ISBN:978-80-227-4190-3
[2] CHOVANČÍKOVÁ V.: Koncepčný návrh optimálnej konštrukcie prestaviteľnej kabíny na otočnej nadstavbe pre samohybný podvozok 4x4. Diplomová práca. Bratislava: Slovenská technická univerzita, 2021. 93 s.
[3] STN EN 15573:2009: Stroje na zemné práce. Konštrukčné požiadavky na používanie na ceste.
[4] ISO 5006:2017: Stroje na zemné práce. Zorné pole operátora
[5] https://www.hyundaice.com/english/PIE/ICEPIE21_view. aspx?type=ena&code=ena0&id=178&page=12&schModel= [6] https://www.cat.com/en_MX/news/machine-press-releases/catsup- 174-sup-mh3049andmh3059materialhandlersdesignfocuseson op.html
