Praca przejściowa
Politechnika Warszawska
Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych
Tytuł: Projekt drabiny do pracy na wysokościach
Prowadzący: Doc. inż. Andrzej Selenta
Wykonawca: Piotr Mołoniewicz, nr indeksu: 237753
Warszawa 2014
Spis treści:
1. Budowa drabiny
2. Założenia konstrukcyjne
3. Obliczenia konstrukcyjne
3.1 Obliczenia stopnia
3.2 Obliczenia nitów używanych do mocowania stopni
3.3 Obliczenia drabiny na wywrót w tył
3.4 Obliczenia nóg
3.5 Obliczenia rozpórki
3.6 Obliczenia podestu
3.7 Obliczenia rurki poprzecznej
3.8 Obliczenia wagi drabiny
4. Rysunki obliczonej drabiny
5. Podsumowanie
Drabina dla wszystkich kojarzy się dość z prostą konstrukcją i zapewne każdy z nas ma jakąś w domu. Każda drabina musi mieć nogi, do której zostaną zamocowane stopnie, reszta rzeczy to kwestia zwiększenia komfortu pracy lub przystosowanie jej do wyjątkowych warunków.
Naszym celem było zaprojektowanie drabiny rozkładanej, na kółkach z systemem hamowania. Cena nie grała roli, mimo to zdecydowałem się na jak najtańsze i najprostsze rozwiązania rozwiązania.
Materiał na drabinę:
W wyborze materiału na drabinę kierowałem się lekkością, wytrzymałością na zginanie, spawalnością i odpornością na czynniki atmosferyczne. Zdecydowałem się wybrać stop aluminium PA4/6082
Stop aluminium PA4/6082+ wysoka wytrzymałość mechaniczna
+ duża odporność korozyjna
+ duża odporność udarowa
Rm = 300 [Mpa]
Wytrzymałość na ścinanie zostało przyjęte ogólnie dla aluminium
Rt = 75 [Mpa]
Gęstość = 2.7 [g/cm3]
Założenia:
Po wybraniu materiału czas na wybór konstrukcji drabiny. Kierowałem się ideą zawartą w drabinie która sam posiadam w domu:
Drabinę użytkuję od dziecięcych lat dlatego znałem mocne i słabe punkty tej konstrukcji. Największą uwagę przykuł fakt, iż jak za daleko się człowiek wychyli do tyłu, drabina się wywróci wraz z użytkownikiem. W tym, oraz innych celach, posłużyłem się normami regulujące wymiary człowieka by zapobiec takiej sytuacji.
Norma PN/90-N08000
3.1. Obliczenia stopnia
Na początek założyłem że będzie to przekrój ceowy, o grubości blachy 1.5mm, długość 80mm (zgodnie z długością stopnia w mojej drabinie), a szerokość w oparciu o normę 350mm. Metodą prób i błędów starałem się wybrać odpowiednie wymiary tak by stopień wytrzymał jak największe obciążenie, mając na uwadze jego wielkość.
Obciążenie ciągłe to człowiek o masie 150kg stający na jednej nodze na środku stopnia (najbardziej niebezpieczny przypadek). Szerokość obciążenia to szerokość buta rozmiar 47.
Starałem się obliczyć wszystkie elementy drabiny tak by współczynnik bezpieczeństwa był co najmniej 2, czyli w statycznym obciążeniu by wytrzymały 300 kg. Stopień jest to jeden z najbardziej narażonych na zniszczenie element w mojej drabinie.
Zauważyłem że zwiększając wysokość bocznej części (1), nie wpływa to na wytrzymałość stopnia. Im wyższy ten element tym większy moment działający na granice (2), czyli większa szansa na rozerwanie. W celu poprawy wytrzymałości tego elementu należało by zmienić kształt lub dać wzmocnienia na granice (2).
Po bokach każdego stopnia będą kawałki blachy, które będą utrzymywały stopień na nitach, przymocowanymi do nóg drabiny.
3.2. Obliczenia nitów używanych do mocowania stopni
Ustaliłem że do każdy stopień zostanie przymocowany czterema nitami, po dwa na każdą stronę. Korzystając z warunków na naciski powierzchniowe i na ścinanie obliczyłem średnice nitów. Siła to ciężar użytkownika o masie 150kg.
3.3. Obliczenia drabiny na wywrót w tył
Jak wspomniałem dużą wadą drabiny, którą posiadam, jest duże ryzyko na wywrót w tył. W moim projekcie chciałem wyeliminować te ryzyko. Niestety zakładając że moja drabina się nie wywróci (wychylenie przy obciążeniu statycznym), sprawiłem że rozstaw nóg jest bardzo duży, co uniemożliwia użytkowanie jej w domu. Wymiary człowieka do obliczeń przyjąłem maksymalne. Wysokość drabiny przyjąłem ok. metra. W ostatecznym rozrachunku wysokość jest większa za sprawą kółek i stopni do hamowania, lecz nie ma to wpływu na wynik tych obliczeń.
Podczas obliczeń po raz kolejny przekonałem się, jak budowa naszego ciała jest przemyślana.
3.4. Obliczenia nóg
Nogi drabiny starałem się zrobić jak najbardziej wytrzymałe. Założyłem przypadek że użytkownik staje na brzegu drabiny lekko wywracając ją do tyłu. W takiej sytuacji cała masa użytkownika znajduje się na jednej nodze.
Podczas obliczeń, przyjąłem na początku grubość blachy 2 mm, wynikiem czego będzie potrzeba kupna blachy o innej grubości niż pozostałe elementy. Chciałem by nogi się nie uginały i były sztywne. Po obliczeniu dla tego przypadku zmniejszyłem z ciekawości grubość o 0.5mm z nadzieją że również wytrzyma z dużym zapasem. Okazało się że wytrzymałość nóg spadła 3-krotnie.
3.5. Obliczenia rozpórki
Przypadek przyjąłem taki sam jak w przypadku obliczenia nóg. Rozpórka będzie zamocowana na prostym zawiasie kulowym na duży wcisk a zakładana poprzez wcisk elementu na kształt kulki, w pasowany otwór w nogach.
3.6. Obliczenia podestu
Podest będzie zamocowany na belce poprzecznej a zakładany na drugiej belce. Będzie węższy od rozstawu nóg, więc w celu zachowania go po środku będą plastikowe tulejki dystansujące po obu stronach. By po założeniu podestu przy rozkładaniu nie zsunął się, będą wydrążone półkola, tak by belka i podest nachodziły na siebie z lekkim luzem. Wydrążenia mają mieć na celu tylko zachowania sztywności podestu, przed rozsunięciem się nóg drabiny, będzie zapobiegać rozpórka. Obciążenie to stopa postawiona na środku.
3.7. Obliczenia rurki poprzecznej
Belki poprzeczne będą zamontowane pod podestem w celu jego założenia, oraz na nogach gdzie nie ma stopni, by nogi się nie rozsunęły w bok. Zastosowałem dwie takie same rurki, mimo że przy nogach będzie znikoma siła. Starałem się zachować prostotę. Siła przyłożona punktowo to człowiek stojący na wysokości połączenia podestu z belką na jednej nodze.
3.8. Obliczenia wagi drabiny
Przed obliczeniem wagi całej drabiny musiałem wybrać system jezdny oraz system hamowania.
Jako system jezdny zdecydowałem się wybrać:
Oba zestawy jezdne będą mocowane 4 śrubami M10 z nakrętkami oraz podkładkami do wcześniej przyspawanej blachy do nóg drabiny.
Jako system hamowania dobrałem profilowane na zamówienie stopki z gumy naturalnej mocowane na wcisk do wnęki w nogach drabiny.
Waga drabiny została mocno zaokrąglona, wszystkie obliczenia zaokrągliłem w górę.
5.Podsumowanie
Podczas całego projektu starałem się zawrzeć jak najprostszą myśl techniczną, co łączy się razem z tanim wykonaniem, przeglądając przy tym niezliczone, już stworzone konstrukcje drabin.
Największym problemem w konstrukcji drabiny są stopnie i ich mocowanie. Nogi każdej drabiny są podobne, lecz stopnie stawiają większe wyzwania podczas obliczeń. Zwykły przekrój ceowy jest zbyt mało wytrzymały i zbyt mało sztywny do stosowania w tak mocno obciążonych dynamicznie konstrukcjach. Dodatkowym problemem staje system składania drabiny. W tym celu, w konstrukcji jak moja, należy wygiąć nogi w miejscu mocowania z drugą parą nóg, tak by po złożeniu, idealnie do siebie przylegały. Kolejnym kłopotliwym miejscem staje się mocowanie systemu jezdnego. Nie spotkałem się w żadnym projekcie by kółka zostały przymocowane bezpośrednio do nóg drabiny. Kółka są stosowane w dużych drabinach, stosowanych w magazynach. Wtedy sztywność jest bardzo ważna i stosuje się ramę na dole drabiny i do niej mocuje się kółka.
Mój projekt miał na celu zawarcia problemów przed jakimi staje konstruktor drabiny. Pierwszy raz musiałem stawić czoła z konstruowaniem czegoś od początku do końca i myślę że jest to wspaniały sposób by rozwijać własną wyobraźnie i wyczucie techniczne.
Bibliografia
1. Michał E. Niezgodziński, Zadania z wytrzymałości materiałów, Warszawa 1997, Wydawnictwo PWN
2. Polska norma PN/90-N08000
3. www.rusztowania.net.pl
4. www.eci.com.pl
5. www.castorama.pl
str. 10
moloniewicz