Vinç Hareketli Kabinin Tasarımı ve Gerilme Analizi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Vinç Hareketli Kabinin Tasarımı ve Gerilme Analizi M.Karagöz 1, H. Düzcükoğlu 2 1 Karabük Üniversitesi, Karabük/Türkiye karagoz.mustafa@windowslive.com 2 Selçuk Üniversitesi, Konya/Türkiye, hayduzcukoglu@hotmail.com Design and Stess Analysis of a Mobile Crane Cabinet Abstract- In this study, a robot cabinet was designed that can move at certain angles and directions in order to prove the operator s sight. Thus the operator will be able to benefit from a better view during loading and unloading operations by controlling the cabinet. First, the 3D design of the cabinet was completed in computer. Static analysis of the stresses born by the movement and weight of the cabinet was performed by ANSYS WORKBENCH V12 program after the material designation, and determination of load and boundary conditions. Keywords ANSYS, Mobile Operator Cabin, 3D Design I. GİRİŞ Hidrolik mobil vinç sektörü ülkemizde hızlı bir gelişim göstermektedir. Özellikle inşaat sektörü, kaldırma, kurtarma ve montaj işlerinde bu vinçlere olan gereksinim giderek artmaktadır. Vinç kabini operatörün kullanması gereken tüm kumanda sistemini içinde barındıran ve operatörün güvenliğini ve konforunu sağlayan bir ünitedir. Operatör tarafından bu kabin içersinden yük kaldırma ve boşaltma işlemlerini gözlem yaparak veya yardımcı personel kullanarak gerçekleştirmektedirler. Ancak bazı durumlarda vinç operatörü kabin içersinden yükü veya boşaltma yerini tam olarak görememekte ya da yardımcı operatör tecrübesizliği sebebiyle yük veya çevre güvenliğinde istenmeyen olaylar meydana gelmektedir. Uçar ve ark. yapmış olduğu çalışmada, hidrolik boom tipi örnek bir krende statik yükleme sonucu oluşan gerilmelerin sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmesi adında bir çalışma yapmış ve çalışmasında örnek olarak seçilen hidrolik boom tipi bir krendeki taşıyıcı kol (boom) 3 boyutlu olarak modellenmiştir. Taşıyıcı kol üzerinde statik yükleme durumu altındaki gerilme dağılımları sonlu elemanlar metodu kullanılan bir paket yazılım ile incelenmiştir. Analiz sonrası elde edilen sonuçlar yorumlanmış, kren konstrüksiyonunun hasara uğramadan çalıştığı gerçekleştirilen simülasyon ile gösterilmiştir. Kren konstrüksiyon elemanları için malzeme akma mukavemeti baz alınarak analiz sonuçlarına göre çalışma güvenlik katsayıları çıkartmışlardır [10]. Yapılan bu çalışmada operatörün kabin içersinden görüş alanını arttırmak amacı ile belirli açılarda ve yönlerde hareket edebilen robot operatör kabini tasarlanmıştır. Bu sayede operatör yükleme ve boşaltmalarda görüş alanını arttırmak için kabin içersinden kumanda ederek belirli mesafe ve açılarda görüş alanı sağlayacaktır. Bu proje öncelikle bilgisayar ortamında 3D tasarımı yapılmıştır. 3D tasarımda SolidWORKS 2010 programından yararlanılmıştır. Malzeme seçimi, yük, sınır şartları belirlenerek robot kabinin hareketlerinin ve kabinin ağırlığından dolayı oluşan gerilmelerin statik analizi ANSYS WORKBENCH V12 SPO paket programı yardımı ile çözüm yapılmıştır. II. VİNÇ, VİNÇ ÇEŞİTLERİ VE KABİNLER Herhangi bir kütle veya malzeme kaldırma, farklı bir yöne dönerek veya hareket ederek aktarma, yerlerini değiştirme, yükleme, boşaltma işlerinde kullanılan makinelere vinç denilmektedir [1]. Kullanım yerlerine göre vinçler aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir[2]. Kaba arazi vinçleri Paletli vinç Güverte vinci Liman vinci Kollu vinç Yüzer vinç Helikopter vinci Demiryolu vinçleri Mobil vinç Teleskopik vinç Kule vinçleri Kamyon vinçleri A. MOBİL VİNÇLER Hareketsiz olan vinçlerin farklı yerlere kolayca taşıyabilme fikrinden doğan mobil vinçler, kamyonla vincin birleşimidir. Özellikle inşaat sektörü, kaldırma, kurtarma ve montaj işlerinde bu vinçler yaygın olarak kullanılmaktadır. B. OPERATÖR KABİNLERİ Vinç kabini operatörün kullanması gereken tüm kumanda sistemini içinde barındıran ve operatörün güvenliğini ve konforunu sağlayan bir ünitedir. Operatör tarafından bu kabin içerisinden yük kaldırma ve boşaltma işlemlerini gözlem yaparak veya yardımcı personel kullanarak gerçekleştirmektedirler. 155

2 H. Düzcükoğlu, M.Karagöz B1-SABİT KABİN Mobil vinç kabinlerinde ve iş makineleri operatör kabinlerinde karşılaşılan en büyük problemlerden bir tanesi, kaldırılan yükün her açıdan görülememesidir. Yük taşırken yükün görülememesi, sadece yük için insanlar içinde büyük bir risk ortaya çıkarmaktadır. Sabit kabin; kabinin şaseye hareket etmeyecek şekilde bağlanması ile oluşan sistemdir. Sabit kabinde ek bir sistem kullanılmaz. Maliyet bakımından diğer kabinlerden çok faklı değildir. Göz seviyesinin üstünde çalışmalarda operatör kafasını yukarı doğru kaldırmakta, uzun süreli çalışmalar boyun tutulmalarına neden olmaktadır. Ayrıca operatör yükü tam olarak göremez. Kullanım kolaylığı sağlamak, operatör görüşünü arttırmak için farklı tasarımlar yapılmıştır. Şekil 1 de sabit kabin resmi görünmektedir. B3-HAREKETLİ KABİN Operatörün istediği gibi konumlandırabileceği tam hareketli kabin Şekil 3 te görülmektedir. Hareketli kabin sayesinde operatör konumunu istediği gibi ayarlayarak maksimum görüş açısını yakalar. Uygun pozisyonu kendisi ayarlayarak en rahat çalışma ortamını ayarlayabilir. Şekil 3: Hareketli kabin III. HAREKETLİ KABİN TASARIMI Sabit kabin eksiklikleri göz önünde alınarak sistemin eksiklikleri belirlenmeye çalışılmıştır. Bunun için sistemin eksikliklerini en iyi şekilde tanımlayabilecek olan operatörlerle mülakatlar yapılmıştır. Yapılan mülakatlar ve araştırmalara göre istenilen operatör kabin özellikleri aşağıdaki gibi olması tavsiye edilmektedir[4,5,6,7]. Bunlar; B2-YARI HAREKETLİ KABİN Şekil 1: Sabit operatör kabini [8] Operatörün daha kolay çalışması için tasarlanmış operatörün görüş alanını arttıran yarı hareketli kabin Şekil 2 de gözükmektedir. Operatörü m yüksekliğe kaldırabilme, Boyutlarına göre uzanabileceği maksimum uzunluk, Operatörün binebileceği mesafeye kadar hareket kabiliyeti (Şekil 4), Katlanabilme özelliği, Operatörün isteği doğrultusunda konumlanma, İstenilen görüş açısını yakalayabilme, Yukarıda ve aşağıdaki çalışmalar için kabinin yatayda en az 30 derece aşağı ve yukarı konumlanabilmesi, dönebilme kabiliyeti, Güvenlik;( güvenlik faktörü 1,5-2 arası alınması) Bir operatörün rahatça çalışabileceği güvenli bir kabin, Hafif, kullanışlı, performansı yüksek ve estetik görünümlü bir dizayn Şekil 4 de operatörün binebileceği yüksekliğe kadar inmiş hareketli kabin yer almaktadır. Şekil 2: Yarı hareketli operatör kabini [8] 156

3 Vinç Hareketli Kabinin Tasarımı ve Gerilme Analizi için Şekil 7 görüldüğü gibi hareketli kabinin sadece kabin kısmı yatayda 30 derece aşağı ve yukarı hareket ederek optimum çalışma ortamı sağlar. Şekil 4: Operatörün binebileceği seviyeye inmiş hareketli kabin Operatör hareketli kabini istediği gibi konumlandırabilir. Şekil 5 te hareketli kabinin farklı konumlanmaları görünmektedir. Şekil 7: Kabinin yatayda hareketi Hareketli kabin Şekil 8 görüldüğü gibi dişli çark sistemi sayesinde 180 derece dönüş kapasitesine sahiptir. Şekil 5: Hareketli kabinin farklı şekillerde konumlanması Kabin hareketli kolları tamamen katlanarak daha az yer kaplaması Şekil 6 da planlanmıştır. Şekil 8: Hareketli kabinin 180 derece dönüşü IV. GERİLME ANALİZİ Hareketli kabinde çok değişken yükler olduğu için maliyet düşürme açısından hareketli kollarda ve pimlerde farklı malzemeler kullanılmıştır. Tablo 1 de hareketi sağlayan kolların malzeme özelliği ve Tablo 2 de pim de kullanılan malzeme özellikleri verilmiştir. Tablo 1: Kabin hareketini sağlayan kolların fiziksel özellikleri Tablo 2: Pim malzemesinin fiziksel özellikleri Şekil 6: Hareketli kolların katlanmış hali Operatörün yukarıdaki veya aşağıdaki işlemlerini yapabilmesi için eğilmesi ya da yukarıya doğru boynunu bükmesi gerekmektedir. Uzun süreli çalışmalarda operatör verimi ve kaza riski artabilir. Bu durumu ortadan kaldırmak 157

4 H. Düzcükoğlu, M.Karagöz A- YÜK VE SABİTLERİN BELİRLENMESİ Şekil 9 da kabin tabanına 250 kg yük uygulanmıştır. Bu yük kabin içindeki operatör ve ekipmanları temsil etmektedir. Buna ilaveten 720 kg sistem ağırlığı eklenmiştir. Şekilde uygulanan yük (A), mesnet kuvvetleri (B,C), yer çekimi ivmesi (D) gözükmektedir. C ANALİZ Sistemde değişikliklere gidilerek pim yataklarındaki yüzey alanı arttırılmış, yük dağılımı sağlanarak ve maksimum gerilme düşürülmüştür. Pim yatakları 15 mm. den 23 mm ye artırılmış ve sistem analiz edilmiştir. Analiz sonucu Şekil 11 de görüleceği gibi sistemin maksimum gerilmesi 201 MPa düşmüştür. Yeni hesaplanan gerilmeye göre sistemin emniyet kat sayısı 1.74 olarak hesaplanmıştır. 1.5 < S (1.74) < 2 olduğundan hareketli kollar emniyetlidir. Şekil 9: Yük, mesnetler ve yer çekimi ivmesinin uygulanması Sistemde; A: Uygulanan yük 2500N ve -Z yönünde B: Fixed support (sabit mesnet ) C: Fixed support (sabit mesnet ) D: Standart yer çekim ivmesi B- SİSTEMİN MESH EDİLMESİ (SONLU ELEMANLARA BÖLME ) Sistemdeki pimlerin meshleri daha küçük tutularak daha doğru sonuçların alınması hedeflenmiştir. Sistemde Hex Dominant mesh metodu kullanılmış olup, sistemdeki toplam nod sayısı , element sayısı dır. Ayrıca hareketli kol, pim arasındaki bağlantı noktalarına bonded tip temas, piston silindir arasındaki temas noktasına ise no separation kontak tanımlanmıştır. Sistem sürtünmesiz olarak kabul edilmiştir. Şekil 10 da Mesh edilmiş hareketli kabin görülmektedir. Şekil 11: Hareketli kolların statik analiz sonucu 2 Pim çapları 40 mm den 45 mm ye çıkartılarak sistem tekrar analiz edilmiştir Analiz sonucu Şekil 12 de görüldüğü gibi 548 MPa olan pim gerilmeleri 311 MPa düşürülmüştür. Oluşan maksimum yeni gerilmeye göre sistem emniyet katsayısı 1.99 a çıkmıştır. Sistem emniyet kat sayısı istenen değerlere ulaştığından sistem güvenlidir. Şekil 12: Pimlerdeki maksimum gerilme V. SONUÇ Şekil 10: Mesh edilmiş hareketli kabin montajı Bu çalışmada, hareketli robot kabinin operatör istekleri doğrultusunda yeni bir ürün geliştirilmiş ve hareketli kabin sisteminin tamamı statik analizi gerçekleştirilip gerekli optimizasyon çalışmaları yapılarak sistem için en uygun konstrüksiyon belirlenmiştir. Gerilme dağılımlarında görülen kritik yerler ilave lama ve saclarla güçlendirilerek yeniden gerilme analizleri yapılmıştır. 158

5 Vinç Hareketli Kabinin Tasarımı ve Gerilme Analizi Güçlendirmelerle genel konstrüksiyon sacı daha küçük değerlerde seçilerek sistemin hafif olması sağlanmış hem de imalat maliyetleri düşürülmüştür. Şekil 13 te görüldüğü gibi sistemin en çok zorlandığı pozisyonda statik analizler yapılarak istenilen güvenlik katsayısında olması sağlanmıştır. Yapılan bu çalışma aynı zamanda kullanılan elemanların çalışma koşullarını simule ederek elemanların gereksiz kalınlıklarının önüne geçmek amacıyla gerçekleştirilebilecek bir optimizasyon çalışması için bir ön çalışma niteliği taşımaktadır. Şekil 13 Sistemin en çok zorlandığı pozisyon TEŞEKKÜR Bu çalışma Selçuk Üniversitesi kütüphanesinde bulunan Vinç Robot Kabinin Tasarımı ve Analizi adlı Yüksek lisans tezinden (2010) türetilmiştir. Ayrıca bu çalışma Selçuk Üniversitesi BAP Koordinatörlüğü tarafından desteklenmiştir. KAYNAKLAR [1] [ ] [2] Karahan M İki Kademeli Teleskopik Vincin Tasarım Ve Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum [3] Koçer H Bir Hidrolik Mobil Vincin Tasarım, Analiz Ve Optimizasyonu, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya [4] TS ISO /Kasım 1997 Vinçler Kabinler Bölüm 1 [5] TS ISO /Nisan 1998 Vinçler Kabinler Bölüm 2 [6] TS EN /2004 Vinç güvenliği Genel tasarım Bölüm 1 [7] TS EN / Şubat 2006 Vinç güvenliği Genel tasarım Bölüm 2 [8] [ ] [9] [ ] [10] Uçar M., Çavdar A., Çelik H. K., Hidrolik Boom Tipi Örnek Bir Krende Statik Yükleme Sonucu Oluşan Gerilmelerin Sonlu Elemanlar Yöntemi ile incelenmesi 2007, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, (4)