Jeszcze kilkadziesiąt lat temu podnoszenie wyjątkowo ciężkich elementów wymagało wykorzystania ogromnych maszyn o rozbudowanych konstrukcjach. Dzisiaj podobne zadania mogą wykonywać żurawie o mniejszych gabarytach i zbliżonej masie własnej. Nie oznacza to jednak, że inżynierowie znaleźli sposób na obejście praw fizyki, a za rosnącymi możliwościami współczesnych dźwigów stoją wytrzymalsze materiały, zaawansowane obliczenia komputerowe i coraz lepiej dopracowane rozwiązania konstrukcyjne.
Większy udźwig bez zwiększania masy dźwigu
Dobrym przykładem postępu technologicznego są dwa żurawie samojezdne niemieckiego producenta Liebherr. Model LTM 1500-8.1 przez wiele lat należał do najbardziej rozpoznawalnych dużych żurawi teleskopowych, a jego następca, LTM 1650-8.1, zachował podobną koncepcję konstrukcyjną opartą na ośmiu osiach, ale zaoferował znacznie większe możliwości podnoszenia.
Według danych producenta nowsza maszyna może osiągać udźwig nawet o 15 do 50% większy od poprzednika, zależnie od zastosowanej konfiguracji. Jednocześnie masa zasadniczej konstrukcji obu żurawi pozostaje porównywalna.
W praktyce oznacza to, że ośmioosiowa maszyna może wykonywać zadania, które wcześniej wymagały zastosowania większych żurawi dziewięcioosiowych. Jak udało się uzyskać tak duży wzrost możliwości bez proporcjonalnego zwiększenia gabarytów i masy?
Stal o większej wytrzymałości zmieniła konstrukcję wysięgników
Jednym z najważniejszych powodów rozwoju żurawi teleskopowych jest postęp w metalurgii, a obecnie stale konstrukcyjne mogą przenosić większe naprężenia niż materiały wykorzystywane w starszych generacjach maszyn. Doskonale obrazuje to porównanie gatunków stali zastosowanych w wysięgnikach dwóch modeli Liebherr:
- LTM 1500-8.1: stal S960 o granicy plastyczności wynoszącej 960 N/mm².
- LTM 1650-8.1: stal S1300 o granicy plastyczności wynoszącej 1300 N/mm².
Oznacza to wzrost granicy plastyczności materiału o około 35%. Granica plastyczności określa poziom naprężenia, po którego przekroczeniu materiał zaczyna ulegać trwałym odkształceniom, a im wyższa jej wartość, tym większe obciążenia może przenosić odpowiednio zaprojektowany element przed wystąpieniem takiego odkształcenia.
Zastosowanie wytrzymalszej stali pozwala projektantom konstruować elementy o większej odporności na obciążenia bez konieczności zwiększania ilości materiału. Nie należy jednak utożsamiać 35-procentowego wzrostu granicy plastyczności z identycznym wzrostem udźwigu całego żurawia, ponieważ na możliwości maszyny wpływają także geometria wysięgnika, stateczność, sztywność konstrukcji oraz wytrzymałość pozostałych podzespołów.
Postęp technologiczny ma znaczenie również dla firm korzystających z usług dźwigowych. Wynajem dźwigów Liebherr pozwala wykorzystać możliwości nowoczesnych maszyn bez konieczności inwestowania we własny sprzęt. Warto jednak pamiętać, że przy wyborze konkretnego modelu warto uwzględnić nie tylko jego maksymalny udźwig, ale również zasięg wysięgnika, warunki terenowe i charakter planowanych prac.
Cieńsze profile i lepiej zaprojektowane wysięgniki
Nowoczesne materiały to tylko jeden z elementów postępu, w równie duże znaczenie ma sposób projektowania poszczególnych części żurawia. Wysięgnik teleskopowy składa się z segmentów, które wysuwają się jeden z drugiego, a podczas pracy konstrukcja musi przenosić znaczne siły, a jednocześnie zachowywać odpowiednią sztywność. Rozwój technologii pozwolił na stosowanie cienkościennych profili o zoptymalizowanych przekrojach, a dzięki właściwemu kształtowi elementów można skuteczniej wykorzystać wytrzymałość materiału i ograniczać zbędną masę.
Istotne znaczenie ma również odpowiednie współdziałanie wysięgnika z systemem odciągów. W dużych żurawiach teleskopowych wykorzystuje się dodatkowe konstrukcje stabilizujące wysięgnik i poprawiające jego właściwości podczas podnoszenia ciężkich ładunków.
Symulacje komputerowe pozwalają dokładniej przewidywać zachowanie konstrukcji
W projektowaniu współczesnych urządzeń dźwignicowych coraz większą rolę odgrywają zaawansowane metody obliczeniowe. Jedną z nich jest metoda elementów skończonych (MES), określana również angielskim skrótem FEM, czyli Finite Element Method, która polega na podziale analizowanej konstrukcji na wiele niewielkich elementów, dla których oblicza się zachowanie pod wpływem określonych obciążeń.
Takie symulacje pozwalają inżynierom analizować między innymi:
- rozkład naprężeń w poszczególnych częściach wysięgnika,
- możliwe odkształcenia konstrukcji,
- miejsca szczególnie narażone na przeciążenia,
- wpływ zmian geometrii na sztywność i wytrzymałość elementów.
Dzięki temu można dokładniej ustalić, gdzie potrzebne jest dodatkowe wzmocnienie, a gdzie możliwe jest ograniczenie ilości materiału.
Mniej spawów oznacza większą precyzję wykonania
Zmiany zaszły również w procesach produkcyjnych, a nowe technologie umożliwiają wytwarzanie dłuższych arkuszy blach stosowanych do budowy profili wysięgników. Pozwala to ograniczać liczbę połączeń spawanych, które są niezbędne do uzyskania elementów o określonej długości.
Ma to istotne znaczenie, ponieważ spawanie powoduje miejscowe nagrzewanie materiału, a następnie jego chłodzenie. Proces ten może prowadzić do powstawania naprężeń własnych oraz odkształceń, które trzeba uwzględnić podczas produkcji. Ograniczenie liczby spoin może ułatwiać uzyskanie wymaganej geometrii elementów i zwiększać powtarzalność wykonania. Nie oznacza to, że prawidłowo wykonane połączenia spawane są z natury słabe, ale ich liczba, rozmieszczenie i jakość mają znaczenie dla konstrukcji.
Jeden silnik zamiast dwóch. Oszczędność masy, którą można wykorzystać inaczej
W dużych żurawiach samojezdnych przez wiele lat stosowano rozwiązania z oddzielnymi silnikami dla podwozia i nadwozia roboczego – pierwszy odpowiadał za przemieszczanie pojazdu, natomiast drugi napędzał mechanizmy wykorzystywane podczas pracy dźwignicy. Rozwój układów napędowych pozwolił na wprowadzenie konstrukcji, w których jeden silnik obsługuje oba zadania.
Takie rozwiązanie zastosowano między innymi w modelu Liebherr LTM 1650-8.1, a rezygnacja z dodatkowego silnika w nadwoziu oznacza oszczędność masy, którą można przeznaczyć na inne elementy maszyny. W przypadku dużych żurawi szczególnie istotna jest możliwość wykorzystania jej do wzmocnienia części odpowiedzialnych za przenoszenie obciążeń.
Czy w przyszłości dźwigi będą jeszcze mocniejsze?
Rozwój konstrukcji dźwignicowych pokazuje, że większy udźwig nie zawsze wymaga budowy proporcjonalnie większej maszyny. Duże znaczenie mają dalsze udoskonalenia materiałów konstrukcyjnych, technologie produkcji, precyzja obliczeń i odpowiednie rozmieszczenie masy. Przy ocenie możliwości żurawia trzeba jednak pamiętać, że nominalny udźwig nie oznacza zdolności podnoszenia takiego samego ciężaru w każdych warunkach, ponieważ wraz ze wzrostem promienia pracy wysięgnika dopuszczalna masa ładunku zazwyczaj maleje, a ostateczne parametry zależą od konfiguracji konkretnej maszyny.
W związku z tym nowoczesne żurawie są projektowane jako kompletne układy, w których stal, wysięgnik, podwozie, przeciwwaga i systemy sterowania muszą ze sobą współpracować. To właśnie doskonalenie wszystkich tych elementów sprawia, że współczesne dźwigi mogą wykonywać coraz bardziej wymagające operacje montażowe, nie potrzebując do tego równie dużego wzrostu masy własnej.