Dynamické zkušebny

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.

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.

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.

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