Vývoj mobilných pracovných strojov novej generácie

• Foto

Tieto pracovné stroje, napríklad UDS 110 a ich ďalšie modifikácie, našli rozsiahle využitie v stavebníctve a tiež v príbuzných odboroch činnosti už v minulosti. Univerzálnosť, vysoká výkonnosť, veľké pracovné dosahy a široký sortiment prídavných pracovných zariadení predurčujú tieto mobilné pracovné stroje k pomerne rozsiahlemu využitiu najmä v oblasti dokončovacích zemných prác v náročnom teréne. Čoraz širšie uplatnenie nachádzajú tieto stroje pri záchranných prácach v čase povodní, pri odstraňovaní dôsledkov živelných katastrof a pri sanačných prácach. Aj v súčasnosti sú tieto stroje výhodne exportované napríklad do Ruskej federácie.

Nielen popredné firmy ale aj pracoviská technických umiverzít sa v rámci riešenia rôznych projektov a záverečných prác zaoberajú vývojom a konštrukciou strojov. Využijúc poznatky z nedokončeného výskumu a vývoja univerzálneho dokončovacieho zemného stroja na pásovom podvozku pod typovým označením UDS 180p vo WUSAM, a.s. Zvolen, riešili študenti a učitelia Ústavu dopravnej techniky a konštruovania na Strojníckej fakulte STU v Bratislave v spolupráci s Ústavom dizajnu na Fakulte architektúry koncepčnú štúdiu moderného pracovného stroja zameranú na zdokonalenie, resp. odstránenie zastaralých koncepcií v oblasti pracovných strojov. Okrem detailných inovačných technických riešení priniesol tento koncept aj nový dizajn.

Teleskopické rýpadlo novej generácie s pracovným označením SUS SCROFA s projektovanou hmotnosťou 30 t je štvornápravový kolesový stroj, využívajúci k svojej preprave a práci dva hnacie agregáty. Vďaka svojim výnimočným vlastnostiam je schopné nahradiť prácu niekoľkých typov strojov, čím zvyšuje produktivitu práce a umožňuje realizovať neštandardné pracovné technológie, obr. 1. Teleskopické rýpadlo SUS SCROFA je primárne určené pre dokončovacie zemné práce stredného a veľkého rozsahu v okolí priemyselných stavieb, svahovanie a úpravu pozemných komunikácií a konečné prispôsobenie styku stavieb s okolitým terénom. Podľa STN 73 3050 je rýpadlo schopné (v závislosti od výberu vhodného pracovného nástroja) rozrušovať zeminy až 4. triedy. Základné časti stroja predstavujú podvozok s pohonom, otočnú nadstavbu a teleskopické pracovné zariadenie. Rýpadlo nezaostáva za modernými trendami v oblasti vývoja a výroby mobilných pracovných strojov s dôrazom na modulárnosť konštrukcie a flexibilitu, ktorá otvára priestor pre tvorbu ďalších koncepcií. Je možné využiť samotný nosič typu automobilového podvozku pre iný typ otočnej nadstavby (vojenské nadstavby, žeriavnická technika a pod.) prípadne inú variantu pracovného zariadenia (zdvíhacie, vyprosťovacie a pod.). Riešenie tiež umožňuje voľbu iného typu podvozku (trojnápravový, automobilový, pásový).

OTOČNÁ NADSTAVBA
Výkonnosť teleskopického rýpadla je hlavnou mierou ovplyvnená vlastnosťami otočnej nadstavby s pracovným zariadením. Základom otočnej nadstavby je zváraný rám, na ktorom je umiestnený hnací agregát s hydrogenerátormi, olejové nádrže, filtre, chladiče, veľkorozmerové ložisko a pohon otoče, kabína obsluhy s riadiacimi a ovládacími prvkami a pracovné zariadenie (obr. 2). Hlavným cieľom rozmiestnenia všetkých mechanizmov a príslušenstva na nosnom ráme otočného zvršku rýpadla bola minimalizácia zadného polomeru otáčania a zabezpečenie stability pri veľkých pracovných dosahoch, výkonnosť a prevádzkovú spoľahlivosť stroja.

Až 70 % času pracovného cyklu pripadá na otáčanie. Je zistené, že vhodnou voľbou parametrov otoče je možné zvýšiť výkonnosť až o 20 %. Spojenie medzi nadstavbou a podvozkom zabezpečuje špeciálne veľkorozmerné ložisko so skríženými valčekmi vhodné predovšetkým na prenos veľkých klopných momentov a veľkých radiálnych a axiálnych síl s ohľadom na čo najmenšie odpory proti otáčaniu. Hnací agregát umiestnený na otočnej nadstavbe poháňa hydraulický okruh ovládajúci časti otočnej nadstavby. Výhodou tejto koncepcie je nezávislosť podvozkovej a nadstavbovej hydrauliky.

Pracovné zariadenie je základnou časťou strojového vybavenia. Je uchytené na otočnom zvršku. Koncepčne vychádza z poznatkov výskumu technologičnosti konštrukcií teleskopických výložníkov vo WUSAM a.s. Zvolen. Spĺňa požiadavky na realizáciu náročných dokončovacích zemných prác a iných pracovných technológií využívajúcich výhody teleskopického výložníka. Riešenie konštrukcie jednotlivých technických uzlov pracovného zariadenia bolo predovšetkým zamerané na zvýšenie kvality, bezpečnosti, ekonomickej a pracovnej efektívnosti stroja pri redukovaní hmotnosti na minimum. Pracovné zariadenie je tvorené vonkajším a vnútorným výložníkom a pracovným nástrojom. Vonkajší a vnútorný výložník tvoria najdlhšiu časť pracovného zariadenia. Sú navrhnuté z tvarovaných zváraných plechov, ktoré ako celok tvoria skriňovú konštrukciu. Hydromotory a ich rozvody sú umiestnené vo vnútri konštrukcie.

Medzi početné inovácie patrí aj vedenie výsuvného ramena výložníka. Nová koncepcia profilu výsuvného a zásuvného ramena redukuje množstvo vodiacich profilov a valivých elementov, v porovnaní so strojom UDS 214 temer na polovicu. Profil výložníka bol navrhnutý s ohľadom na pevnostné analýzy tak, aby odolal aj väčším prevádzkovým zaťaženiam. Pozostáva z oceľových profilov a plechov zvarených do šesťuholníkového tvaru. Ovládanie pracovného nástroja zabezpečuje štvorkĺbový mechanizmus, ktorý dosahuje požadovaný kinematický rozsah naklápania (0° až 165°) pri priaznivom rozložení zaťaženia na čapy uchytenia preklápacích pák a tiahla.
 
Hlavné výhody teleskopického pracovného zariadenia:

• dosiahnutie konštantnej rýpnej sily v celom rozsahu jeho dosahu. Táto vlastnosť vyplýva z kinematiky vysúvania vnútorného výložníka;
• s ohľadom na klasické koncepcie pracovných zariadení rýpadiel umožňuje navrhnuté riešenie pracovať aj v stiesnených podmienkách (pod konštrukciami mostov, priemyselných stavieb či v zastavaných oblastiach a pod.).

Dôležitou časťou pracovného zariadenia je náboj zabezpečujúci polohovanie ramena v kinematickom rozmedzí +30 až –60 ° prostredníctvom dvojice vzájomne excentricky uložených hydromotorov. Excentrické riešenie koncepcie zabezpečuje vzájomnú podporu hydromotorov v medzných polohách v miestach, kde je jeden piest úplne zasunutý alebo druhý piest maximálne vysunutý. Na náboj je prostredníctvom kombinácie valivého a klzného ložiska uchytený vonkajší výložník.

V dolnej časti náboja je umiestnený rotačný hydromotor, ktorý tvorí dvojicu s ozubeným vencom valivého ložiska uchyteného na vonkajšom výložníku. Slúži k natáčaniu pracovného nástroja okolo pozdlžnej osi teleskopu v rozmedzí +/– 110 °.

PODVOZOK
Náročný terén, do ktorého je stroj SUS SCROFA určený, vyžaduje, že stroj musí mať nielen požadované jazdné vlastnosti na cestných komunikáciách, ale tiež dobrú priechodivosť mimo nich. Koncepcia podvozku bola preto zvolená na základe týchto východísk, obr. 3, 4:

• štvornápravová resp. osemkolesová konštrukcia zaručujúca zníženie tlaku na podložie;
• zadná štvorica kolies je hnaná a umožňuje pre zlepšenie jazdných vlastností v teréne obutie kolies do oceľových pásov;
• maximalizácia nájazdových a priečnych uhlov naklonenia stroja;
• maximálna rýchlosť stroja 40 km/h.

Pri voľbe značky a typu pohonnej jednotky bola zohľadnená tiež požiadavka minimalizácie stavených modulov celého stroja. Výber preto padol na motor PERKINS rady 1100, ktorý bol použitý v inom výkonovom variante aj pre pohon hydrogenerátorov otočného zvršku. Maximálny výkon 186 kW dosahuje pri 2 200 ot./min a krútiaci moment 1 050 Nm pri 1 400 ot./min umožňuje stroju dosiahnuť stúpavosť až 34° a maximálnu ťažnú silu viac ako 150 kN. Takto zvolený pohonný agregát je s dostačujúcou výkonovou rezervou vhodný tiež na pohon prídavných zariadení, ktorými možno podvozok vybaviť. Podvozok sa tak stáva univerzálnym nosičom s možnosťou aplikácie pod rôzne druhy otočných nadstavieb.

Prvky prevodového ústrojenstva sú vybrané tak, že ich dodávku zabezpečuje jeden výrobca. Jedná sa o prvky výrobcu DANA:

• prevodovka T33000 Full Powershift;
• kĺbový hriadeľ Spicer 10 SeriesTM;
• tandemová náprava Bogie Axle 151R Series.

Obe nápravy sú tandemového typu, čo znamená, že dvojica kolies na jednej strane nápravy je voľne výkyvná okolo osi v polovici ich vzdialenosti. Zadná náprava tohto typu umožňuje obutie zadných kolies do pojazdových pásov, čim sa zvýšia trakčné schopnosti vozidla. Uloženie predných náprav je riešené podobným spôsobom, nakoľko jedna zo základných požiadaviek bola na schopnosť mimostaveniskovej prepravy spôsobom, keď sa otočný zvršok otočí smerom vzad (k stabilizačným podperám), lyžicou sa oprie o korbu nákladného automobilu až zodvihne zadnú tandemovú nápravu. Takto postavený stroj je schopný prepravy ťahaním po prednej tandemovej náprave. Ak totiž doteraz potrebovalo rýpadlo porovnateľnej hmotnostnej kategórie na transport podvalník, toto riešenie umožní zníženie nákladov nakoľko stroj možno po dodržaní nakladacieho postupu prepravovať za ťahačom ako prívesné vozidlo.

Ďalšou z výhod koncepčného riešenia stroja je „hydraulická samostatnosť“ podvozku od otočného zvršku. Motor ako pohonná jednotka prevodového ústrojenstva sa pred začiatkom práce využije na pohon hydrogenerátora podvozku, ktorý dodáva kvapalinu do stabilizačných prvkov podvozku. Po zastabilizovaní podvozku sa motor vypne a pracuje iba otočná nadstavba. U doterajších riešení strojov bol pohon podvozku riešený hydrostaticky, čo so sebou prináša veľké straty v prenose energie a tiež bolo potrebné stroj vybaviť hydraulickým otočným prevádzačom. Koncepcia stroja SUS SCROFA je víziou, ako by mohli vyzerať stroje budúcnosti. Modifikáciou v oblasti samohybných i automobilových podvozkov je spôsob prenosu dát z otočného zvršku do podvozku. U bežne používaných strojov je táto situácia riešená hydro-elektrickým rotačným prevodníkom, cez ktorý prechádzajú všetky hydraulické i elektrické povely do podvozku. U stroja SUS SCROFA je táto funkcia nahradená použitím optického signálu na riadenie funkcií podvozku čo umožní integráciu riadenia podvozku a ovládania hydraulických funkcií otočného zvršku do jedného priestoru (u automobilových rýpadiel sa využívala koncepcia riadenia podvozku s vlastnou kabínou), obr. 5. Navrhnutý spôsob ovládania funkcií podvozku má nespornú výhodu, nakoľko podvozok s otočným zvrškom sú spojené iba prostredníctvom upevňovacích skrutiek veľkorozmerového ložiska.

Tendencie vývoja v oblasti konštrukcií mobilných pracovných strojov dokazujú, že najširšie uplatnenie na trhu dosahujú práve univerzálne pracovné stroje s vysokou pohotovosťou k nasadeniu a možnosťou rýchlej prepravy medzi pracoviskami. Novokoncipované teleskopické rýpadlo SUS SCROFA, pokrývajúce široký rozsah používateľských technológií, spĺňa práve tieto požiadavky a svojimi technickými parametrami sa radí medzi moderné, efektívne a konkurencieschopné riešenia.

RECENZE
Článek se zabývá problematikou zcela nové vývojové koncepce teleskopického rypadla. Vychází z osvědčené koncepce automobilových rypadel řady UDS 110 až 114, které jsou i přes své stáří v ČR i na Slovensku mezi uživateli stále hojně využívány pro své specifické vlastnosti, a to zejména při stavbách komunikací. Předložený článek, který je výsledkem práce kolektivu akademických pracovníků a studentů Strojnické fakulty STU v Bratislavě, velmi konkrétně ukazuje směry, kterými se vývoj rypadel s teleskopickým výložníkem může dále ubírat. Je nezbytné vyzdvihnout, že se jedná o prezentaci koncepční práce, a proto je zde zcela namístě i návrh koncepčně odlišného způsobu pohonu podvozku a otočné nástavby, řešený samostatnými hnacími agregáty a také velmi perspektivní systém přenosu informačních toků z podvozku na otočnou nástavbu a zpět pomocí optického signálu.

Článek svým obsahem jednoznačně zapadá do profilu časopisu a přináší nové, pro čtenáře velmi zajímavé technické informace.
Proto doporučuji článek k publikování.

doc. Ing. Miroslav Škopán, CSc.,
skopan@fme.vutbr.cz,
Ústav automobilního a dopravního inženýrství
Odbor transportních a stavebních strojů
Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně

LITERATÚRA:
[1] Gulan, L.: Modulárne projektovanie mobilných pracovných strojov. Vydavateľstvo STU v Bratislave, Bratislava, 2000, ISBN 80-227-1397-X
[2] Gulan, L., Bukoveczky, J., Zajacová, Ľ.: Verification of modularity ratio on the set of mobile working machines. In: Proceedings of the XV European conference of material handling teaching professors. 22.–6. 9. 2004, Novi Sad, p. 18–23. Srbsko a Čierna Hora, 2004
[3] Gulan, L., Bukoveczky, J., Zajacová, Ľ.: The platform of machine assemblies of mobile working machines: Monograph on the occasion of 47th anniversary of the Faculty of Technical Sciences, p. 185–186, UNS FTS Novi Sad 2007, ISBN 978-86-7892-038-7

Development of mobile new-generation industrial machines
The development trend in the area of constructing mobile industrial machines prove that the widest application on the market is achieved by the universal industrial machines with high alert to application and the option of fast transport between the sites. The newly-designed telescopic excavator SUS SCROFA, covering a wide range of user technologies, fulfils these requirements and with its technological parameters it belongs to modern, efficient and competitive solutions.

Autoři

• Ing. Glatz Metod
• Ing. Filípek Peter
• Doc. Ing. Mazurkievič Izidor CSc.
• Doc. Ing. Gulan Ladislav PhD.