Témata
Reklama

Elektrohydraulické zkušební stroje a systémy

Elektrohydraulické zkušební stroje a systémy (dále EH stroje, EH systémy) sehrávají rozhodující roli jako zdroje řízeného mechanického kmitání zatěžující zkoumané výrobky v dynamických zkušebnách. Experimenty na těchto zkušebních zařízeních s metrologickým charakterem v koincidenci s teoretickými výpočty umožňují dynamicky namáhané výrobky efektivně dimenzovat užitím metody konečných prvků. Jejich rozsáhlejší využívání v současné době je dáno množícími se aplikacemi nových konstrukčních materiálů, zejména kompozitů.

Tyto metody zkracují proces charakterizovaný konstrukčními a technologickými změnami zahrnující období vývoje od funkčního vzorku k prototypu zkoumaného objektu. Umožňují konstruovat strojírenské výrobky s použitím nejvhodnějších materiálů s vysokou provozní spolehlivostí odpovídající plánované životnosti a s optimální hmotností při respektování požadavků na komfortní provoz, moderní design a cenu, která obstojí na světovém trhu. Nejsou výjimečné případy, kdy na světovém trhu obstojí pouze nejlepší výrobek, nikoliv v pořadí ten druhý.

Reklama
Reklama
Reklama
Postup dimenzování nových mechanických soustav navrhovaných výrobků

Konstruování s podporou experimentu

Přibližně před šedesáti lety po úspěšném technickém ověření EH strojů, EH systémů a příslušné měřicí techniky byly postaveny první dynamické zkušebny ve špičkových podnicích leteckého a automobilového průmyslu. Jejich činnost byla postupně aplikována i v jiných průmyslových oborech. Filozofie dimenzování dynamicky namáhaných strojů (letadla, automobily, vojenská a kosmická technika, železniční dopravní prostředky, zemní stroje, zemědělská technika atd.) byla celosvětové vyjasněna. V současnosti se koincidence experimentu s počítačovým modelem stala základním předpokladem pro zvyšování vypovídacích možností počítačových modelů. S jejich podporou může konstruktér interaktivně tvořit strukturu technického objektu, měnit tvar a rozměry jednotlivých prvků a podle zvolených kritérií tyto prvky optimalizovat. Počítačové modely však pouze aproximují fyzikální realitu. Je-li tato aproximace nepřesná nad určitou mez, je nepoužitelná.

Důležitou skutečností je, že v průběhu experimentu se ověřuje i kvalita technologie výroby. Na základě provedených experimentů lze přijmout opatření pro zvýšení odolnosti konstrukce proti únavovému poškozování a vzniku únavových trhlin a předejít tak možným budoucím poruchám. Zajímavostí, o které se příliš nemluví, je, že konstrukční a technologické provedení nejnovějších automobilů všech světových výrobců je ověřováno důkladnými zkouškami i ve zkušebnách konkurenčních firem okamžitě po jejich uvedení na světový trh.

Princip funkce EH stroje

Základní funkce EH stroje je zřejmá ze schematického obrázku. Řídicí signál je přiváděn k elektrohydraulickému převodníku 3, který otevírá vstup tlakové kapaliny do přímočarého hydraulického motoru 2. K pístnici motoru je připojen zatěžovaný objekt 1 opřený o snímač síly 5. Tlak pístnice úměrný řídicímu signálu vyvolává ve snímači 5 elektrický signál zpětné vazby odpovídající v daném případě působící síle. Tento signál se v regulátoru 4 porovnává se signálem žádané hodnoty a jejich rozdíl se přivádí do elektrohydraulického převodníku tak, aby se silou vedenou pístnicí do zatěžovaného objektu a tedy do senzoru síly minimalizoval. Zkušební EH stroje jsou zapojeny a fungují jako elektrohydraulické servomechanismy. V uvedeném případě je řídicí veličinou zatěžovací síla. Signál žádané hodnoty je generován buď programovým generátorem funkcí 6 působícím samostatně, anebo řízeným počítačem.

EH stroje a zkoušky konstrukčních materiálů a součástek

EH zkušební stroje jsou využívány ke zkouškám konstrukčních materiálů - například ke zkoušce tahové, zkoušce nízkofrekvenční a vysokofrekvenční únavy, náhodným a blokovým zatěžováním, šíření trhlin, torzním zatěžováním atd. Aktuální jsou zkoušky vzorků materiálů, resp. součástek kombinovaným zatěžováním v případech synergického účinku namáhání, jako u hnacích hřídelí zatěžovaných krouticím momentem a osovou silou. Tyto zkoušky jsou realizovány na dvoukanálovém EH stroji s přímočarým a torzním hydromotorem. Realizovány jsou i tříkanálové EH stroje, například při synergii složitějších současných namáhání hřídelí tahem - tlakem, ohybem a krouticím momentem, nebo pro potrubí současně namáhané vnitřním přetlakem, ohybem a krutem. EH stroje jsou využívány ke zjišťování průběhů degradačních procesů vzorků materiálů, resp. součástek v různých klimatických prostředích. EH stroje jsou konstruovány pro buzení sil od několika kN až do 100 MN ve frekvenčním rozsahu 10-2 Hz až do 1 kHz a s číslicovým řízením.

Motocykl zatěžovaný vertikálními, bočními a brzdnými silami generovanými tříkanálovým EH systémem

Podle potřeb uživatele jsou vybaveny příslušenstvím zahrnujícím upínače vzorků materiálu (oceli, kompozity, keramiky, plasty), vhodné extenzometry, dále např. klimatickou komoru pro zatěžování vzorků materiálu v rozsahu teplot -70 °C až 2 400 °C a v různých agresivních prostředích. Výrobce EH strojů dodává software pro zkoušky vyhovující požadavkům norem, podle kterého lze jednoduchou komunikací obsluhy s EH strojem sestavovat požadovaný algoritmus zatěžování zkoušeného vzorku materiálu, resp. součástky a sledovat průběh zkoušky s využitím grafiky. K získání věrohodného údaje provozní únavové životnosti je třeba simulovat typické provozní zatížení (nejčastěji stochastické), pokud možno se všemi jeho statistickými charakteristikami. Vedle zkoušek ocelových výrobků tvoří významnou oblast i zkoušky výrobků z elastomerů a výrobků kombinovaných z pryže a kovu, které svým tlumením snižují dynamické zatížení mechanických soustav a omezují působení hluku buzeného mechanickým kmitáním.

EH systémy a zkoušky mechanických konstrukcí

Zkoušky mechanických konstrukcí v provozu dynamicky namáhaných výrobků zahrnují:

  • zkoušky spolehlivosti a životnosti mechanických konstrukcí, resp. jejich částí v průběhu a po ukončení vývoje, při nichž je simulován typický provoz výrobku a případně i mezní stavy tohoto provozu;
  • zkoušky spolehlivosti a životnosti kosmické techniky, které se ve zkušebnách často uskutečňují ve vakuu, což umožňuje zatěžovat zkoumaný objekt v provozních podmínkách (se značně rozdílnými teplotami ve velmi krátkých vzdálenostech);
  • modální analýzy prováděné v průběhu vývoje zjišťující vlastní frekvence kmitání mechanické konstrukce výrobku a jejich částí a parametry tlumení;
  • zkoušky osobních automobilů náhodným spektrem kmitání po dobu několika sekund v závěrečné etapě jejich produkce, kdy se zjišťuje případná anomálie ve standardním frekvenčním spektru jeho odezvy. Anomálie svědčí buď o chybě v montáži nebo o porouchané součástce;
  • zkoušky pro stanovení mezního namáhání výrobku umožňující určit mezní režimy jeho exploatace;
  • zkoušky pasivní bezpečnosti nazývané „Crash Test" simulující náraz zkoumaného objektu na tuhou překážku (uskutečňují se především u automobilů).

Mezi cíle zkoušek patří:

  • zjišťování vstupních dat pro moderní výpočtové metody dimenzování strojů a konstrukcí a pro vytváření matematických modelů navrhovaných strojů a konstrukcí;
  • ověřování správnosti metod výpočtů a správnosti vytvořených matematických modelů;
  • racionální doplňování teoretických řešení experimenty v procesu výzkumu a vývoje.

 

Dvanáctikanálový EH systém pro zkoušku spolehlivosti a životnosti osobního automobilu

Průběh zkoušek

Mechanické konstrukce v provozu dynamicky zatěžovaných výrobků jsou často umístěny volně na hydromotorech, nebo jsou k nim připoutány, případně jsou s vysokou tuhostí spojeny se stendem. Počet hydromotorů EH systému pro zatěžování zkoumaného objektu se různí podle způsobu jeho zatěžování v provozu a dynamických vlastností jeho mechanické soustavy. Ke zkouškám spolehlivosti a životnosti motocyklu zpravidla postačí tři přímočaré hydromotory, ke stejným zkouškám automobilu se čtyřmi koly jsou využívány čtyři až čtrnáct hydromotorů, podobně tomu je u malých sportovních letadel. Velká dopravní letadla jsou zatěžována někdy i více než stem hydromotorů.

Zkoumané objekty jsou dynamicky složité, vykazují řadu vlastních frekvencí, nelineární tlumení a výrazné interakce mezi jednotlivými řídicími smyčkami zkušebního zařízení. Tyto i další vlivy jsou zohledněny vytvářením syntetických signálů odvozených ze zadaných parametrů provozního zatěžování zkoumaných objektů zjišťovaných měřením charakteristických veličin (deformací, zrychlení, sil) na určených místech konstrukce za provozu v reálném prostředí. Funkce všech hydromotorů jsou programovány nezávisle. Syntézu provádí číslicově řízená smyčka realizovaná počítačem a výpočet se děje ve frekvenční oblasti pomocí Fourierových spekter časových signálů. Vlivy nelinearit se kompenzují iteračním algoritmem.

Letoun L 159 ve zkušebně se zařízením Prodera pro modální zkoušky

Měřicí technika u EH systémů

Při zatěžování zkoumaného objektu EH systémem je prováděno měření mechanických deformací, mechanických napjatostí a případně dalších veličin (sil, tlaků, výchylek a parametrů kmitavého pohybu). U zkoušek s větším počtem hydromotorů stoupá i počet míst, kde je měřena mechanická deformace. U automobilů jde zpravidla o stovky a u velkých letadel až o tisíce míst měřených současně. Kovovými tenzometry jsou měřeny deformace, síly a tlaky. Výchylky jsou nejčastěji měřeny induktivními senzory. Pro měření parametrů kmitavého pohybu se téměř výhradně používají akcelerometry s křemíkovými tenzometry nebo s piezoelektrickým elementem, které vykazují nejmenší hmotnost a vhodnou frekvenční charakteristiku. Signály ze senzorů jsou nyní až na výjimky zpracovávány číslicově. Zařízení pro měření a sběr dat je významnou integrovanou součástí EH strojů a systémů.

Je třeba uvážit efektivní uspořádání měřicích systémů ve zkušebnách při jejich využívání. U zkoušek strojů a konstrukcí vzniká potřeba současného měření většího počtu mechanických veličin. Proto je vhodné vybavit zkušebnu několika specializovanými přenosnými měřicími ústřednami. Náročným požadavkům na měření a zpracování naměřených dat nejlépe vyhovují autonomní měřicí ústředny s pevně naprogramovaným zpracováním dat, které mohou být volitelně propojeny s počítačem. Tak lze řídit průběh zkoušky on-line s využitím výsledků zpracování dat předaných z měřicí ústředny. Další výhodou tohoto uspořádání je možnost použít rozsáhlejší programové vybavení a vhodnější výstupní zařízení počítače pro zpracování dat předaných z měřicí ústředny.

Při jiném konstrukčním a funkčním uspořádání je zařízení pro měření a sběr dat používáno samostatně. Jde především o měření mechanického zatížení zkoumaných výrobků v provozu. Změřená data jsou využívána pro stanovení programu simulačních zkoušek ve zkušebně a při upřesňování číslicových výpočtových metod dimenzování. Experimenty musí být uskutečňovány s vyhovující citlivostí a přesností. Platí, že počítačovými simulacemi nelze nahradit experiment, ale experimentem lze posílit vypovídací schopnost výpočetních metod.

Pohled do části dynamické zkušebny VW ve Wolfsburgu

Dynamické zkušebny v zahraničí a v České republice

Realizace efektivních experimentů v moderních dynamických zkušebnách vyžaduje teoretické zázemí: odborně připravené zkušební inženýry, teoreticky zdatné výpočtáře a zkušené konstruktéry. Dynamické zkušebny jsou v současné době modernizovány ve všech průmyslových státech. Podílejí se na rychlém pokroku zejména v leteckém a automobilovém průmyslu. Největší dynamické zkušebny pro letecký průmysl jsou v USA pro Boeing, v Ruské federaci pro Suchoj, ve Franci pro Airbus. Vynikající jsou německé dynamické zkušebny pro automobily Mercedes ve Stuttgartu, Opel v Rüsselsheimu, VW ve Wolfsburgu a Audi v Ingolstadtu. Vynikající je dynamická zkušebna technické univerzity v Braunschweigu. Všem průmyslovým podnikům v Německu je k dispozici Labor für Betriebsfestigkeit v Darmstadtu. Moderní dynamické zkušebny pro aktuální průmyslové výrobky jsou vybudovány v Japonsku a s předstihem i pro letecký a automobilový průmysl v Číně. Dynamické zkušebny pro letecký průmysl jsou zdokonalovány v Kanadě a v Brazílii.

V České republice jsou větší dynamické zkušebny už s víceletým provozem EH systémů v podnicích: Škoda Auto Mladá Boleslav, VZLÚ, Škoda Výzkum Plzeň, Tatra Kopřivnice, Výzkumný ústav železniční Cerhenice. Činnost zahájily dvě zkušebny s EH systémy na ČVUT Praha a zkušebna na VUT Brno. Malé zkušebny s EH systémy jsou v TRV DAS Dačice, na TU v Pardubicích a v ZKL Brno. V České republice působí více než 20 zkušeben vybavených EH stroji pro zkoušky konstrukčních materiálů a součástek. Patří mezi ně zkušebny v organizacích VUM Běchovice, Monroe Boskovice, STOS Oslavany, BRANO Jablonec, Škoda Motosport, Rubena Náchod. Existují i další naše zkušebny vybavené EH stroji orientované převážně na spolupráci s výzkumem, nikoliv s výrobou.

Ing. Jiří Černohorský, DrSc.

cernohorsky.jiri@gmail.com

Reklama
Vydání #10
Kód článku: 81004
Datum: 08. 10. 2008
Rubrika: Inovace / Věda a výzkum
Autor:
Firmy
Související články
Pořádná špona je dnes věda

S obráběním, vrtáním pomocí nástroje začali pravděpodobně jako první už staří Egypťané cca 4 000 let před naším letopočtem, přičemž využívali tětivu luku – základ smyčcového soustruhu. Potom přišel středověk, dále Leonardo da Vinci a návrh prvního soustruhu… Technologie třískového obrábění ale v porovnání s dnešní dynamikou vývoje postupovala jen pomalu.

Pokročilé mazání pro úspornost a spolehlivost

Věda a výzkum přinášejí zcela unikátní řešení i pro procesy zdánlivě zavedené a v oblastech, kde by inovace laik neočekával. Každý pozitivní a použitelný krok ke zlepšení klimatické situace naší planety je přínosem a jednou z nesmírně efektivních, užitečných, a vlastně poměrně snadných a finančně nenáročných záležitostí. Takovými by mohly být aplikace pokročilých tribologických řešení především pro dopravu, průmysl a výrobu energií.

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...

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

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.

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.

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.

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