ΤΟΥ ΓΙΩΡΓΟΥ ΜΑΛΙΩΤΗ
Τα ανυψωτικά συστήματα αποτελούν μια επιμέρους κατηγορία του ευρύτερου τομέα των μεταφορικών συστημάτων. Τα μεταφορικά συστήματα στη βιομηχανία αναφέρονται στη διακίνηση υλικών, προϊόντων και μηχανημάτων. Η διακίνηση υλικών και προϊόντων αναφέρεται συνήθως στην εισαγωγή υλικών, στη συναρμολόγηση, στη συσκευασία και στην αποθήκευση. Τα μηχανήματα διακίνησης διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, στα μηχανήματα συνεχούς μεταφοράς και στα μηχανήματα ασυνεχούς μεταφοράς.
Τα μηχανήματα της πρώτης κατηγορίας λειτουργούν συνεχώς για μεγάλο χρονικό διάστημα μεταφέροντας συνήθως υλικά και προϊόντα, είτε αυτά είναι διαταγμένα κατά τεμάχια, είτε είναι στοιβαγμένα χύδην. Ένα κλασσικό παράδειγμα τέτοιου μηχανισμού αποτελούν οι μεταφορικές ταινίες που υποστηρίζουν μια μεγάλη γκάμα γραμμών παραγωγής. Τα μηχανήματα ασυνεχούς μεταφοράς εκτελούν διαδοχικές διαδρομές προώθησης και παραλαβής. Σε αυτή την κατηγορία των συστημάτων διακίνησης υπάγονται και τα ανυψωτικά συστήματα.
Τα ανυψωτικά συστήματα συνιστούν μια από τις πιο σύνθετες μηχανολογικές ή ηλεκτρομηχανολογικές διατάξεις. Και τούτο γιατί αποτελούνται από μια σειρά πολλαπλών μηχανισμών που περιλαμβάνουν μια μεγάλη γκάμα στοιχείων μηχανών, σιδηρών κατασκευών αλλά και ηλεκτρικών διατάξεων. Είναι γεγονός ότι οι ανάγκες ανύψωσης υλικών και εξοπλισμού στη βιομηχανία ποικίλλουν πάρα πολύ είτε ως προς το βάρος, το μέγεθος και τη μορφή του ανυψωνόμενου φορτίου, είτε ως προς τη δυσκολία πρόσβασης στα σημεία παραλαβής και απόθεσης και το ύψος στο οποίο βρίσκονται αυτά, είτε ως προς το άνοιγμα και την ταχύτητα λειτουργίας, είτε ως προς μια μεγάλη και δύσκολα καταγραφόμενη σειρά παραμέτρων στις διάφορες βιομηχανικές ανυψώσεις φορτίων.
Για το λόγο αυτό στα ανυψωτικά συστήματα περιλαμβάνονται μηχανισμοί που διαφέρουν πολύ μεταξύ τους ως προς το σχεδιασμό, το μέγεθος και την ισχύ τους. Η πολυμορφία των ανυψωτικών συστημάτων και η ιδιαιτερότητα του πλήθους των εφαρμογών τους έχει σαν συνέπεια οι περισσότερες ανυψωτικές μηχανές να μην κατασκευάζονται σε σειρά. Εξαίρεση αποτελούν οι μικρές ανυψωτικές μηχανές και ορισμένες κανονικές κατασκευές. Στη μεγάλη πλειοψηφία των υπολοίπων περιπτώσεων ο κατασκευαστής ή ο προμηθευτής ενός ανυψωτικού συστήματος δίνει –έστω και λίγο- διαφορετικές λύσεις σε κάθε καινούργια εφαρμογή, οι οποίες συχνά δεν έχουν δοκιμασθεί ξανά ως αυτούσιες ολοκληρωμένες διατάξεις.
Σχεδιασμός
Κατά το σχεδιασμό ενός ανυψωτικού συστήματος τίθενται ορισμένες θεμελιώδεις απαιτήσεις τις οποίες θα πρέπει αυτός ο σχεδιασμός να πληροί. Αυτές αναφέρονται στην ασφάλεια λειτουργίας, στη διάρκεια ζωής, στην ευκολία συντήρησης αλλά και στην αναγκαία συχνότητα συντήρησης. Τα λειτουργικά κριτήρια που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασμό είναι η τιμή της μέγιστης παρεχόμενης μηχανικής ισχύος, αλλά και ο συσχετισμός αυτής με την κατανάλωση ηλεκτρικής ή άλλης μορφής ενέργειας, καθώς και οι απαιτήσεις σε αναλώσιμα υλικά (π.χ λιπαντικά). Σημαντικό κριτήριο προφανώς είναι και η οικονομικότητα ενός ανυψωτικού συστήματος όπως και η ευκολία εγκατάστασής τους σε μια βιομηχανική μονάδα, αν αυτό είναι ένα μόνιμο σύστημα. Στους πολύ μεγάλους φορητούς γερανούς (οι οποίοι μαζί με τους μεγάλους εκσκαφείς συνιστούν τα μεγαλύτερα μηχανήματα έργων) κριτήριο σχεδιασμού αποτελεί ακόμα και η αισθητική διαμόρφωση του ανυψωτικού συστήματος.
Σε μεγάλες και μάλιστα φορητές κατασκευές, όπως τα ανυψωτικά συστήματα σημαντικό κριτήριο σχεδιασμού συνιστά προφανώς και το βάρος του συνολικού συστήματος, αλλά και του εκάστοτε επιμέρους μηχανισμού. Σε ειδικά τεμάχια της κατασκευής όπως στις κεραίες γερανών, στα φορεία γερανογεφυρών, στις αρπάγες κ.α, δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στο ελαφρό της κατασκευής. Αναφορικά με άλλα σημαντικά υποσυστήματα, όπως το κιβώτιο ταχυτήτων, η επιλογή ελαφρότερων υλικών (π.χ στα γρανάζια μετάδοσης κίνησης) μπορεί να επηρεάσει την αντοχή και τη λειτουργικότητα. Για το λόγο αυτό μελετάται η γεωμετρία του μηχανισμού αυτού ώστε να έχουμε μικρότερες διαστάσεις και κατά συνέπεια μικρότερα βάρη.
Μια πολύ σημαντική γενική παράμετρος σχεδιασμού, που αφορά τα περισσότερα ανυψωτικά συστήματα, αλλά κυρίως τα μεγάλου όγκου και βάρους συστήματα, τα οποία διαχειρίζονται πολύ μεγάλα φορτία, είναι η μελέτη των συνθηκών κατά την εκκίνηση και κατά το σταμάτημα της λειτουργίας του ανυψωτικού συστήματος. Είναι γνωστό ότι οι ανυψωτικές μηχανές δεν εργάζονται ομοιόμορφα και συνεχώς, αλλά κάνουν πολλές στάσεις λειτουργίας. Στην πλειοψηφία των περιπτώσεων έχουμε ένα μανουβράρισμα του φορτίου – ιδιαίτερα όταν αυτό είναι βαρύ, ογκώδες και με μη κανονικό σχήμα. Έτσι λοιπόν οι χρόνοι σύζευξης και οι διακοπές λειτουργίας των ηλεκτροκινητήρων τους εναλλάσσονται μεταξύ τους.
Σε κάθε επανεκκίνηση, ακόμα και όταν αυτή συμβαίνει στο μέσο της διαδρομής μεταφοράς, έχουμε μια επιτάχυνση της ανυψωτικής μηχανής από την ηρεμία μέχρι την κανονική ταχύτητα. Αντίστοιχα σε κάθε σταμάτημα, που μπορεί επίσης να συμβαίνει σε μια σειρά ενδιάμεσων σημείων της διαδρομής, έχουμε επιβράδυνση από την κανονική ταχύτητα μέχρι τη μηδενική. Οι επιταχύνσεις όμως και οι επιβραδύνσεις αυτές αναφέρονται σε πολύ μεγάλες μάζες οι οποίες έχουν συχνά σύνθετες μορφές.
Συνεπώς οι δυνάμεις επιτάχυνσης και επιβράδυνσης είναι πολύ μεγάλες, οι δε αντίστοιχες ροπές στρέψης εκτός του ότι είναι επίσης μεγάλες (μεγαλύτερες των αντίστοιχων ροπών κανονικής λειτουργίας) απαιτούν και ιδιαίτερη μελέτη, καθώς συναρτώνται από τη ροπή αδράνειας και την ιδιαίτερη δυναμική συμπεριφορά πολύπλοκων μηχανισμών. Τα παραπάνω διαμορφώνουν ειδικές απαιτήσεις για τη ροπή εκκίνησης του ηλεκτροκινητήρα, αλλά και για την πέδη του ανυψωτικού μηχανήματος. Πρέπει πάντως να σημειωθεί ότι σε δύσκολες ανυψώσεις απομακρυσμένων και βαρέων φορτίων απαιτείται μια κατά περίπτωση ειδική μελέτη της μεθόδου ανύψωσης και μεταφοράς.
Δομικά στοιχεία
Όπως αναφέρθηκε ένα ανυψωτικό μηχάνημα συνιστά ένα σύνθετο και πολύπλοκο σύστημα, που αποτελείται από διάφορες ηλεκτρομηχανολογικές διατάξεις. Τα βασικά δομικά στοιχεία ενός ανυψωτικού συστήματος είναι ο φορέας της δύναμης έλξης, τα μέσα παραλαβής φορτίου και τα συστήματα πέδησης.
• Φορέας δύναμης έλξης. Η δύναμη έλξης μεταφέρεται από τον κινητήρα που την αναπτύσσει (ηλεκτροκινητήρα ή άλλη κινητήρια μηχανή) προς το ανυψούμενο φορτίο μέσω του συρματόσχοινου. Υπάρχει μια μεγάλη γκάμα συρματόσχοινων ως προς τα είδη τους, τη δομή του κάθε τύπου και τη χρήση του ανά εφαρμογή. Είναι προφανές ότι ο σωστός υπολογισμός του συρματόσχοινου είναι καθοριστικός για τη λειτουργία και την ασφάλεια ενός ανυψωτικού μηχανήματος. Ένας μηχανισμός υποστηρικτικός του φορέα έλξης είναι η τροχαλία ή το τύμπανο οδήγησης του συρματόσχοινου. Σε πιο πολύπλοκες διατάξεις χρησιμοποιούνται πολύσπαστα.
• Μέσα παραλαβής φορτίου. Τα μέσα που χρησιμοποιούνται για την παραλαβή ενός φορτίου εξαρτώνται από το είδος και τη μορφή του φορτίου. Σε συσκευασμένα φορτία με εντοπισμένο σημείο έλξης και κατάλληλη υποδοχή (συνήθως μεταλλική θηλιά) τα συνήθη μέσα παραλαβής τους είναι τα άγκιστρα. Τα άγκιστρα προφανώς πρέπει να έχουν την απαραίτητη μηχανική αντοχή. Συνήθως κατασκευάζονται με τη σφυρηλάτηση χάλυβα Ast 41 που έχει αντοχή σε εφελκυσμό 400-500 N/mm2. Σε ορισμένες ανυψώσεις χρησιμοποιούνται ειδικά άγκιστρα, όπως κλειστά ή αρθρωτά άγκιστρα, αλλά και άγκιστρα με πολλαπλές λάμες. Όταν η μορφή αλλά και η συσκευασία του φορτίου δεν επιτρέπει την ασφαλή ανύψωση του μέσω ενός εντοπισμένου σημείου έλξης, τότε χρησιμοποιούνται διάφορα άλλα μέσα πρόσδεσης φορτίων. Τέτοια είναι τα συρματόσχοινα, οι ιμάντες που διαμορφώνουν τα γνωστά σαμπάνια, αλλά και αλυσίδες ή ζυγοί ανύψωσης. Για ογκώδη, βαριά και δύσκολα διαχειριζόμενα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλαπλοί κλάδοι συρματόσχοινων ή αλυσίδων. ʼλλα μέσα παραλαβής φορτίων είναι οι λαβίδες, οι μέγγενες τριβής, οι κάδοι, οι αρπάγες και οι ηλεκτρομαγνήτες ανύψωσης.
• Συστήματα πέδησης. Οι βασικοί τύποι συστημάτων πέδησης είναι οι πέδες τυμπάνου, οι πέδες ταινίας, οι πέδες δίσκου, και οι πέδες κώνου. Οι πέδες ταινίας διακρίνονται σε απλές ταινιοπέδες, σε διαφορικές ταινιοπέδες και σε αθροιστικές ταινιοπέδες. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω τα συστήματα πέδησης χρήζουν ιδιαίτερης μελέτης και σχεδιασμού. Σε πέδες καθόδου και συγκράτησης γίνονται διαφορετικοί σχεδιασμοί από αυτούς που γίνονται σε πέδες πορείας. Οι πέδες των περιστρεφόμενων γερανών απαιτούν επίσης ειδικό σχεδιασμό. Στη μελέτη των συστημάτων πέδησης σημαντικές παράμετροι είναι η διάμετρος του τυμπάνου πέδησης ή η διάμετρος του δίσκου πέδησης, αλλά και η θερμότητα που παράγεται και που απάγεται.
Υποσυστήματα και μηχανισμοί ανύψωσης
Τα βασικά συστήματα έλξης είναι οι γρύλλοι, τα παλάγκα, τα βαρούλκα και οι ανυψωτικές πλατφόρμες.
• Οι γρύλλοι χρησιμοποιούνται για φορτία μικρότερου βάρους τα οποία συχνά είναι τοποθετημένα στο έδαφος και διακρίνονται σε τρεις βασικούς τύπους. Το γρύλλο με οδοντωτό κανόνα, το γρύλλο με κοχλιωτό βάκτρο και τον υδραυλικό γρύλλο.
• Τα παλάγκα χρησιμοποιούνται σε ανυψώσεις, αλλά και εναέριες μετακινήσεις μικρού και μεσαίου βάρους φορτίων και συνιστούν χειροκίνητα πολύσπαστα. Διακρίνονται σε τρεις τύπους, στα παλάγκα με ατέρμονα κοχλία, στα παλάγκα με παράλληλους οδοντωτούς τροχούς και στις συσκευές έλξης συρματόσχοινου ή αλυσίδας.
• Τα βαρούλκα διακρίνονται σε τέσσερις τύπους, χειροκίνητα βαρούλκα, στα βαρούλκα τριβής, στα ηλεκτρικά βαρούλκα και στα βαρούλκα με πεπιεσμένο αέρα.
• Οι ανυψωτικές πλατφόρμες διακρίνονται σε πλατφόρμες φορτίων και σε πλατφόρμες εργασίας.
Οι βασικοί μηχανισμοί κίνησης των γερανών είναι ο μηχανισμός για ευθύγραμμη κίνηση και ο μηχανισμός για περιστροφική κίνηση γερανού, αλλά και ο μηχανισμός για έλξη κεραίας συμπτυσσόμενου γερανού. Σε όλες τις περιπτώσεις κρίσιμος είναι ο υπολογισμός της ισχύος κίνησης των μηχανισμών αυτών.
Μηχανική λειτουργία
Τα ανυψωτικά συστήματα διαφέρουν πολύ μεταξύ τους ως προς τον τρόπο λειτουργίας. Η διαφορετικότητα της λειτουργίας χαρακτηρίζεται από τη διακεκομμένη λειτουργία και από τη μεταβολή των φορτίσεων ή των κατευθύνσεων της ανυψωτικής κίνησης.
• Διακεκομμένη λειτουργία. Τα περισσότερα ανυψωτικά συστήματα επιτελούν διακεκομμένη λειτουργία. Δεδομένου λοιπόν ότι γίνονται συχνές εκκινήσεις και σταματήματα η εγκατάσταση πρέπει να αναπτύσσει επανειλημένα τις αναγκαίες ροπές που θα υπερνικήσουν με ασφάλεια τις αυξημένες αντιστάσεις εκκινήσεως, οι οποίες είναι σαφώς μεγαλύτερες από τις αντιστάσεις του φορτίου κατά τη συνεχή ομαλή κίνηση ανύψωσης και μεταφοράς. Για να μην γίνεται υπερσχεδιασμός του ανυψωτικού μηχανήματος ενδείκνυται αυτό να σχεδιάζεται με βάση την αντίσταση κανονικής λειτουργίας με τη δυνατότητα μιας συγκεκριμένης υπερφόρτισης για το μικρό χρόνο εκκίνησης. Η εξασφάλιση αυτής της δυνατότητας δημιουργεί ένα βασικό κριτήριο επιλογής της κινητήριας μηχανής ή μηχανισμού που θα ενεργοποιεί το εκάστοτε ανυψωτικό σύστημα.
• Μεταβολή της φόρτισης. Οι συνθήκες σε πολλές περιπτώσεις ανυψώσεων δεν παραμένουν ίδιες καθόλη τη διάρκεια της ανύψωσης του φορτίου και της απόθεσης του στη νέα του θέση. Αυτό μπορεί να συμβεί για παράδειγμα σε γερανογέφυρες βιομηχανικών μονάδων ιδιαίτερα όταν μεταφέρουν μονωμένα φορτία. Σε κάθε περίπτωση αλλαγή της φόρτισης έχουμε και όταν το μέσο παραλαβής συνεχίζει να κινείται χωρίς φορτίο για να πάρει τη σταθερή του θέση στο ανυψωτικό σύστημα. Για το λόγο αυτό προτιμάται κινητήριος μηχανισμός του οποίου οι στροφές μεταβάλλονται αντίστροφα ανάλογα με το φορτίο.
• Μεταβολή της φοράς περιστροφής. Δεδομένου ότι στις συνήθεις ανυψώσεις φορτίων μετά την άνοδο του μηχανισμού έλξης ακολουθεί η κάθοδος του και μετά την εμπρόσθια κίνησή του ακολουθεί η επαναφορά του με αντίθετη κατεύθυνση κίνησης είναι σκόπιμο η αλλαγή της πορείας να γίνεται γρήγορα και με απλό τρόπο.
• Ακρίβεια της μετακίνησης. Σε αρκετές περιπτώσεις η απόθεση του φορτίου πρέπει να γίνει σε σημείο συγκεκριμένης θέσης και ύψους, γεγονός που επιβάλλει τον έλεγχο της κίνησης υπό φορτίο με μεγάλη ακρίβεια. Η διασφάλιση αυτών των απαιτήσεων δημιουργεί ειδικά κριτήρια για την επιλογή του μηχανισμού ενεργοποίησης του ανυψωτικού συστήματος.
• Εκκίνηση υπό φορτίο. Σε αρκετές περιπτώσεις έχουμε ήδη αναρτήσει το φορτίο στο μέσο παραλαβής πριν εκκινήσει το ανυψωτικό μηχάνημα. Σε άλλες πάλι ένας γερανός φορτωμένος χρειάζεται να κινηθεί μπροστά ή πίσω
Ηλεκτροκινητήρες
Οι ηλεκτροκινητήρες προτιμώνται σαν μηχανές ενεργοποίησης των ανυψωτικών συστημάτων. Προσφέρουν το πλεονέκτημα του τηλεέλεγχου και τηλεχειρισμού, αλλά και τη δυνατότητα πολλαπλών ρυθμίσεων που καλύπτουν πολύ διαφορετικές απαιτήσεις ανύψωσης. Καθοριστικό πλεονέκτημα των ηλεκτροκινητήρων είναι ότι αναπτύσσουν μεγάλη ροπή εκκίνησης σε σύγκριση με άλλους μηχανισμούς ενεργοποίησης (πράγμα απαραίτητο στις περισσότερες ανυψωτικές εφαρμογές) Μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε κινητήρες συνεχούς ρεύματος, είτε ασύγχρονοι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος, δεδομένου ότι η κατανάλωση ρεύματος προσαρμόζεται αμέσως προς την απαιτούμενη ισχύ τόσο στο συνεχές όσο και στο εναλλασσόμενο ρεύμα.
• Κινητήρες συνεχούς ρεύματος. Αυτοί μπορεί να είναι κινητήρες σειράς ή κινητήρες διακλαδώσεως. Ο κινητήρας σειράς είναι προτιμότερος για τους γερανούς και προσφέρει το πλεονέκτημα ότι οι στροφές του εξαρτώνται από τη φόρτισή του. Κατά την εκκίνησή του η ροπή είναι 2,5 -3 φορές πολλαπλάσια της ροπής κανονικής λειτουργίας. Ο κινητήρας διακλάδωσης χρησιμοποιείται κυρίως σε ανυψωτικά συστήματα μικρότερων απαιτήσεων(π.χ ανελκυστήρες), γιατί η ροπή εκκίνησής του δεν είναι τόσο μεγάλη όσο αυτή του κινητήρα σειράς και οι στροφές του είναι ανεξάρτητες της φόρτισης και περίπου σταθερές.
• Ασύγχρονοι κινητήρες. Οι ασύγχρονοι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος κερδίζουν συνεχώς έδαφος τα τελευταία χρόνια στις δύσκολες εφαρμογές των γερανών γιατί αναπτύσσουν ικανοποιητικές ροπές λειτουργίας και εκκίνησης, αλλά παράλληλα είναι φθηνότεροι, απλούστεροι και πιο ευκολοσυντήρητοι. Συνήθως είναι και μικρότεροι και σε μέγεθος για την ίδια μηχανική απόδοση.
Για τη συγγραφή του κειμένου χρησιμοποιήθηκαν τεχνικά στοιχεία από τα εγχειρίδια:
1. Ανυψωτικά Μηχανήματα. Γ. Μαλαχία.
2. Ανυψωτικά και Μεταφορικά Μηχανήματα. Κωνστ. Ι. Στεργίου & Ιωάννου. Κ. Στεργίου
3. Ανυψωτικά Μηχανήματα Π. Χαρώνη
4. Στοιχεία Ανυψωτικών Μηχανών Εκδόσεις ΕΤΕ.
