Témata
Reklama

Dynamické zkušebny

Zkušenosti kvalifikovaného konstruktéra a ani ta nejsložitější teorie neověřená experimentem neposkytují důvěryhodné podklady pro optimální dimenzování výrobků dynamicky namáhaných v provozu. Počítačové modely v mnoha případech jen aproximují fyzikální realitu. Správně provedený experiment upřesňuje výsledky teoretických prací a zvyšuje jejich hodnověrnost.

Už slavný model T z továrny Ford Motor Company byl před sto lety dlouhodobě zkoušen po dobu šesti měsíců současnou jízdou tří těchto vozů jen s kratičkými přestávkami, bez ohledu na klimatické podmínky a změny povrchu vozovky. Úspěch tohoto experimentu byl povelem k zahájení sériové výroby 10 000 automobilů modelu Ford T v roce 1908. Podobné experimenty se uskutečnily i v dalších automobilkách o několik let později.

Dobře provedený experiment tedy příznivě ovlivňuje rozvoj vědy a je zárukou uplatnění výsledků vědeckých poznatků v kvalitě výrobků. Důkazem toho jsou rozsáhlé zkušebny světových automobilek v Evropě, USA a Japonsku téměř identického zaměření.

Historie a technický rozvoj dynamických zkušeben

V padesátých letech minulého století byl úspěšně dokončen vývoj hydraulického motoru jako zdroje řízeného přímočarého a torzního kmitání. Zpočátku jednokanálové zatěžování převážně vzorků konstrukčních materiálů bylo po určitých zkušenostech a pokrocích v elektronice rozšířeno na systémy pro vícekanálové zatěžování automobilů a menších letadel a tak zahájena éra simulace jejich provozního zatěžování měřeného ve zkušebně především kovovými tenzometry. V konstrukčních odděleních podniků bylo aktualizováno měření mechanického namáhání kritických míst zkoumaných konstrukcí při provozním nebo vyšším zatížení. Jsou získávány podklady pro efektivnější dimenzování zkoušených výrobků.

Reklama
Reklama
Jedna z prvních aplikací vícekanálového zatěžovacího systému u nás: automobil Škoda Favorit na zkušebním stendu podniku Inova Praha v průběhu životnostní zkoušky

Koncem šedesátých let se začíná prosazovat využití počítačů pro řízení zatěžovacích procesů. Jejich řízení a měření mechanického namáhání číslicovou technikou zrychlují průběh experimentu. To umožňuje automaticky zpracovat ohromné množství dat a řídit současné zatěžování na více místech podle individuálních zatěžovacích programů. Z té doby jsou známé rozsáhlé zkoušky dopravního letadla Concorde ve zkušebně i za letu, kdy bylo kovovými tenzometry měřeno mechanické namáhání na více než 8 000 místech konstrukce. U soudobých rozměrných dopravních letadel zatěžuje jejich konstrukci i více než 150 hydromotorů. Automobily jsou zatěžovány čtyřmi až šestnácti hydromotory.

Zkoušené objekty jsou dynamicky složité, vykazují řadu vlastních frekvencí, nelineární tlumení a výrazné interakce mezi jednotlivými řídicími složkami zatěžovacího systému. Tyto i další vlivy jsou zohledněny vytvářením syntetických signálů odvozených ze zadaných parametrů provozního zatěžování zkoušeného objektu na určených místech konstrukce přímo za provozu v reálném prostředí. Funkce všech hydromotorů jsou programovány nezávisle. Syntézu řeší číslicově řízená smyčka realizovaná počítačem. Výpočet se děje pomocí Fourierových spekter časových signálů. Vlivy nelinearit jsou kompenzovány iteračním algoritmem.

U převážné většiny zkoušených objektů je reálný frekvenční rozsah zkoušek od nejnižších frekvencí (často nižších než 1 Hz) do 100 Hz a výjimečně do 400 Hz. U letadel přicházejí v úvahu zkoušky ve frekvenčním rozsahu až do 1 kHz. Přímočaré hydromotory mohou být zdrojem síly až 25 MN a torzní hydromotory zdrojem krouticího momentu až 1 000 kNm.

Metrologický charakter experimentu je žádoucí

Zkoušky při nastavení stejných podmínek pro zatěžování zkoušeného objektu a měření mechanických deformací mají být exaktně opakovatelné. To záleží především na měřicí technice mechanických veličin umožňující zatěžovací procesy nastavit a výsledky experimentů s dostatečnou přesností prezentovat. Nejčastěji jsou využívány kovové tenzometry, akcelerometry, senzory dráhy, rychlosti, tlaku a při měření vzorků materiálu extenzometry. Nemá-li experiment metrologický charakter, je jeho význam problematický, protože jeho výsledky mohou negativně ovlivnit záměr optimálního dimenzování zkoušeného objektu.

Simulace zatížení letadla za letu ve zkušebně, buzeného 45 přímočarými hydromotory a měřeného 1200 tenzometry

Dynamické zkušebny jsou velmi náročnou součástí technického zázemí automobilového a leteckého průmyslu. V jiných odvětvích průmyslu – kolejových vozidel, zemědělské techniky, zbraňové techniky a zemních strojů chybí dostatečné ekonomické prostředky a v řadě případů též náročné technické zázemí pro efektivní využití zkušebny, kde jsou navrhovány programy experimentů, určovány jejich cíle, kde se provádí vyhodnocování experimentů, rozhoduje o dalším postupu vývoje, konstrukčních změnách prototypů atd. Vysoké požadavky jsou kladeny na teoretickou a praktickou činnost pracovníků, kteří tuto činnost provádějí.

Získané pozitivní poznatky o významu experimentu nevedly k zatracení matematických modelů pro navrhování a konstruování výrobků, ale k požadavkům na koincidenci (shodu) těchto modelů s náročnými experimenty.

Chce-li podnik trvale dodávat na trh špičkové výrobky, musí neustále získávat pro vývojové konstrukce relevantní informace o vlastnostech nových materiálů, nejnovějších výrobků konkurence atd. Není tajemstvím, že nový automobil konkurenční firmy je zkoumán ihned po jeho objevení se na trhu často podrobněji než vlastní prototyp.

Žádoucí je, aby fyzická životnost výrobku byla ve shodě s jeho životností morální. Respekt při konstruování nových výrobků vyžaduje i důležitý trend automatizace některých jejich funkcí.

Existuje řada menších producentů složitých a v provozu dynamicky zatěžovaných výrobků, kteří z různých důvodů nemohou postavit a využívat vlastní dynamickou zkušebnu. Např. v Německu mohou využívat služeb nezávislé dynamické zkušebny Labor für Betriebsfestigkeit v Darmstadtu vybavenou moderní zkušební technikou. Tato zkušebna je trvale zcela vytížena, nechybějí ani zahraniční zakázky.

Modální analýza letounu L 159 na francouzském systému Prodera

Co pozitivně ovlivní experiment

Do vybavení a provozu dynamických zkušeben směřují značné investice pro efektivní výzkum a vývoj aktuálních výrobků, protože globální trh si vynucuje jejich rychlý pokrok zaměřený především na kontinuální zvyšování kvality a ekonomickou produkci. Optimální konstruování, a tedy i zkušebnictví je zaměřeno na:

  • plánovanou životnost a vysokou spolehlivost konstrukčního řešení;
  • stanovení mezního namáhání výrobku určujícího mezní režimy jeho exploatace;
  • provedení modální analýzy zjišťující vlastní frekvence kmitání mechanické konstrukce a parametry jejich tlumení;
  • uplatnění nových materiálů a výrobních technologií;
  • zvyšování pasivní bezpečnosti;
  • optimální hmotnost umožňující docílit i optimální energetickou náročnost;
  • zkracování inovačních cyklů výzkumu a vývoje nových výrobků;
  • komfort obsluhy výrobků z hlediska vibrací a hluku;
  • design výrobků odpovídající současným požadavkům trhu;
  • snižování pracnosti výrobků uplatňováním nových výrobních technologií a materiálů.

Dynamické zkušebny v Evropské unii

V průmyslových státech Evropské unie je přibližně 50 dynamických zkušeben vybavených vícekanálovými zatěžovacími systémy. Největší počet těchto větších a velkých dynamických zkušeben je v Německu. V Mnichově je vybudována rozsáhlá dynamická zkušebna leteckého koncernu DASA s více než 200 zatěžovacími kanály, příslušnou řídicí elektronikou a rychlými měřicími ústřednami pro tenzometrická měření. Známé jsou velké dynamické zkušebny v automobilovém průmyslu – pro vozy Mercedes ve Stuttgartu, pro vozy Opel v Rüsselsheimu, pro vozy Volkswagen ve Wolfsburgu a pro vozy Audi v Ingolstadtu. Další perfektně vybavené dynamické zkušebny patří k různým průmyslovým odvětvím a k vysokým školám. K německým drahám patří dynamická zkušebna v Mindenu. Velmi známá je dynamická zkušebna univerzity v Braunschweigu. Již zmíněná nezávislá zkušebna Labor für Betriebsfestigkeit je vedle smluvní činnosti pro různé podniky pověřena konáním zkoušek pro získávání různých povinných certifikátů. Mezi největší v Evropě patří ve Francii v Toulouse dynamická zkušebna, kde jsou zkoušena letadla Airbus (podobná dynamická zkušebna je také v Ruské federaci v Leteckém ústavu v Moskvě).

V České republice je 5 větších zkušeben s vícekanálovými zatěžovacími systémy. Ve Škodě Auto Mladá Boleslav je EH systém se 14 hydromotory a dalších 8 hydromotorů s příslušnou řídicí elektronikou. Ve VZLÚ v Letňanech je EH systém se 40 hydromotory a dalšími 30 hydromotory s příslušnou řídicí elektronikou. Ve firmě Škoda Výzkum Plzeň je EH systém se 12 hydromotory a dalšími 6 hydromotory s příslušnou řídicí elektronikou. V podniku Tatra Kopřivnice je EH systém se 4 hydromotory a několik dalších hydromotorů s příslušnou elektronikou. Ve VÚŽ Cerhenice je EH systém s 8 hydromotory a další 2 hydromotory s příslušnou elektronikou. Budovány jsou dynamické zkušebny s vícekanálovými systémy na ČVUT v Praze a na VUT v Brně. V České republice působí přibližně ještě 20 zkušeben se zkušebními stroji zaměřenými na statické a dynamické zkoušky konstrukčních materiálů a dynamické zkoušky různých součástí strojů, např. tlumičů.

Závěr

Globalizace podstatně zvýšila konkurenci zejména u technicky náročných výrobků vyráběných ve velkých sériích nebo s velkým ziskem, jako jsou automobily a letadla. Jsme svědky ohromného úsilí producentů překonat konkurenci ve funkčních parametrech výrobků, v jejich celkové kvalitě a ceně. Kdo je technicky lepší a k tomu mistrem v marketingu, nejúspěšněji prodává. Kdo v konkurenci neobstojí, končí. Správný experiment ve výzkumu a vývoji pomáhá překonat konkurenci.

Ing. Jiří Černohorský, DrSc.

cernohorsky.jiri@gmail.com

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 80103
Datum: 06. 02. 2008
Rubrika: Inovace / Věda a výzkum
Autor:
Firmy
Související články
Mezi vědou a rodinou

S Mgr. Kseniyí Illkovou, Ph.D., mladou vědkyní působící v Praze, jsem se potkala při příležitosti předávání cen Wernera von Siemense. Získala totiž ocenění za vynikající kvalitu ženské vědecké práce. Na tom by jistě nebylo nic zarážejícího – vynikající práce byla oceněna, tak to bývá. Na první pohled však všechny přítomné zaujal doprovod mladé ženy – několikaměsíční miminko. A tak mě samozřejmě zajímalo, jak vlastně lze skloubit práci na špičkové úrovni a rodinu...

Modernizace laboratoře pro měření emisí

Od listopadu 2011 je v Roztokách u Prahy otevřen objekt VTP Roztoky. Objekt o celkové ploše 4 200 m2 využívá pro k realizaci svých aktivit zejména Centrum vozidel udržitelné mobility (CVUM), založené při ČVUT v Praze, Fakultě strojní. Budova vznikala právě na základě požadavků vědeckých a akademických pracovníků z ČVUT, kteří hledali nové laboratorní a kancelářské prostory se záměrem vytvořit špičkové výzkumné pracoviště a navázat tak na projekty Výzkumných center spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka I, II, úspěšně řešené v  letech 2000 až 2011 pod vedením prof. Jana Macka. Záměr se podařilo realizovat také díky synergii projektů, využitých pro financování výstavby objektu a následně vybavení jednotlivých laboratoří. V loňském roce, sedm let po oficiálním otevření, byla realizována přístavba a obnova emisního vybavení v laboratoři s válcovou brzdou.

Podpora mezinárodního výzkumu

Inženýrská akademie České republiky, z. s., (IA ČR) je organizace sdružující odborníky, jejichž společným zájmem je podpora a rozvoj technických disciplín odrážející technické, ekonomické, sociální, environmentální a kulturní potřeby společnosti. Byla založena v roce 1995 a jedním z jejích hlavních úkolů je rozvíjet a propagovat technické vědy a sbližovat výzkumnou sféru se sférou průmyslovou. Toho dosahují mimo jiné naplňováním cílů projektů, jejichž jsou řešiteli. Jedním z těchto projektů je „Podpora mezinárodní spolupráce v inženýrském výzkumu“ programu EUPRO Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy, který bude ukončen koncem (byl ukončen v závěru???) roku 2016.

Související články
Inženýrská akademie ČR nabízí spolupráci, Sekce Strategie výzkumu a vývoje

Obecným posláním Inženýrské akademie ČR je odborná podpora rozvoje technických věd a technického školství a zejména využívání nových poznatků vědy a výzkumu a teoretických znalostí průmyslovou sférou. Cílem je přispívat k růstu ekonomického potenciálu a konkurenceschopnosti české ekonomiky. Specializované odborné sekce IA ČR sdružují přední specialisty daného oboru a poskytují expertní a poradenské služby. Vyjadřují se k závažným technickým řešením a rozhodnutím, která vycházejí z univerzitní oblasti, průmyslu, vládních i nevládních institucí. Na stránkách MM Průmyslového spektra jednotlivé odborné sekce představujeme.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Inženýrská akademie ČR nabízí spolupráci

Obecným posláním Inženýrské akademie ČR je odborná podpora rozvoje technických věd a technického školství a zejména využívání nových poznatků vědy a výzkumu a teoretických znalostí průmyslovou sférou. Cílem je přispívat k růstu ekonomického potenciálu a konkurenceschopnosti české ekonomiky. Specializované odborné sekce IA ČR sdružují přední specialisty daného oboru a poskytují expertní a poradenské služby. Vyjadřují se k závažným technickým řešením a rozhodnutím, která vycházejí z univerzitní oblasti, průmyslu, vládních i nevládních institucí. Na stránkách MM Průmyslového spektra jednotlivé odborné sekce představujeme.

Trendy v nabídce doprovodných služeb a v koordinaci podniku

V současné době se řada výrobních podniků snaží být konkurenceschopná ve využívání nejnovějších trendů, ale i vědeckých poznatků. Tyto jsou markantní zejména v oblasti technologické, ovšem nelze se upnout pouze na přijímání technologických novinek a přitom opomíjet ostatní obory, neboť i tyto mohou podnikatelům nabízet zásadní poznatky a mít vliv na celkovou úspěšnost daného podniku. O tom, že je prospěšné, jak pro zákazníka, tak pro samotný podnik nabízet doprovodné služby k dodávaným výrobkům (jako např. montáž, zaškolení, servis), je asi dnes už zbytečné hovořit. Tyto služby jsou dnes téměř všude samozřejmostí a nabývají na významu i v průmyslovém sektoru.

Inženýrská akademie ČR nabízí spolupráci Sekce stavebnictví a architektura

Poslání Inženýrské akademie ČR (IA ČR) spočívá v odborné podpoře a rozvoji technických věd a technického školství, jakož i aplikaci nových poznatků vědy a výzkumu. Naším cílem je přispívat k růstu ekonomického potenciálu a konkurenceschopnosti české ekonomiky. Tentokrát se zaměříme na stavebnictví a architekturu.

Mechanika na VŠ

V nynějším vydaní jsme o strukturovanou prezentaci požádali ústavy zaměřené na mechaniku a mechatroniku. Naši nabídku vyslyšelo pracoviště na Strojní fakultě v Brně.

Strojírenské konstruování na VŠ

V nynějším vydání jsme o strukturovanou prezentaci požádali ústavy zaměřené na výrobní stroje a komponenty. Naši nabídku vyslyšela pracoviště na strojních fakultách v Praze, Brně a Liberci.

Výrobní stroje a komponenty na VŠ

V nynějším vydání jsme o strukturovanou prezentaci požádali ústavy zaměřené na výrobní stroje a komponenty. Naši nabídku vyslyšela pracoviště na strojních fakultách v Praze a Ostravě.

Materiálové inženýrství na VŠ

V nynějším vydání jsme o strukturovanou prezentaci požádali ústavy zaměřené na výrobní systémy a techniku. Naší nabídku vyslyšela pracoviště na strojních fakultách v Praze a Brně.

Podpory výzkumu, inovací a podnikání

Vývoj hospodářství v Evropě je v posledních letech charakterizován četnými ekonomickými problémy (finanční krize, dluhová krize), které ve svých důsledcích znamenají stagnaci či jen křehké oživení. Většina evropských ekonomik si uvědomuje, že disproporci mezi disponibilními kapacitami a místní poptávkou může dlouhodobě řešit pouze exportem.

Vliv spolupráce a dalších inovačních aktivit firem na jejich úspěch

V posledních letech jsou hodně diskutovanými tématy inovace, jejich vliv na podnikání a nezbytnost firem inovovat. Dá se říci, že inovace jsou stavěny do pozice klíčové podmínky rozvoje firem a zvyšování jejich konkurenceschopnosti a produktivity. Částečně je to dáno tím, že některé firemní aktivity zahrnované mezi inovační aktivity patří k činnostem, které jsou pro úspěch na trhu těžko nahraditelné, jako například externí spolupráce i využívání různých informačních zdrojů. Inovačními aktivitami jsou pak rozuměny všechny výzkumné, technologické, organizační, finanční a marketingové kroky, které jsou určeny k zavedení inovace.

Veřejná podpora financování inovací

Před dvěma lety vznikla Evropská rada akademií aplikovaných věd, technologií a inženýrství (Euro-CASE) jako nezávislá nezisková organizace národních akademií inženýrství, aplikovaných věd a technologií z 21 zemí Evropy. Slouží pro stálé fórum výměny informací a konzultace mezi evropskými institucemi, průmyslem a výzkumem s cílem přispět k vytvoření vhodných podmínek v Evropě tak, aby zvýšila svou inovační výkonnost.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit