Témata
Reklama

Experimentální zařízení pro měření dynamického chování radiálního vodního čerpadla

Součástí nabídkového řízení velkých vodních čerpadel je i přejímací test zmenšeného modelu čerpadla, na němž jsou zákazníkovi předvedeny jeho hydraulické charakteristiky a současně jsou testovány reakční síly v čerpadle. Tyto údaje jsou velmi důležité pro finální dimenzování stavby vodního díla.

ČVUT v Praze, Ústav výrobních strojů a zařízení Fakulty strojní, spolupracuje s firmou Sigma Group na vývoji tzv. siloměrného kozlíku – zařízení, jež slouží pro měření reakčních sil a vibrací na čerpadle a dále pro měření radiální polohy hřídele v simulovaném provozu. Kozlík musí zajistit spolehlivé měření pro otáčky až do 3 000 min-1, axiální sílu 22 kN a radiální síly 11 kN. Při zmíněných testech se provozní síly rozkládají na oběžném kole, vedou přes hřídel a ložiska čerpadla do rámu – siloměrného kozlíku. Konstrukce tohoto zařízení musí být navržena tak, aby byly jednotlivé radiální a axiální síly spolehlivě zachyceny bez vzniku parazitních silových cest a momentů, které mohou vznikat např. při naklápění hřídele či špatném ustavení. Prvotní verze kozlíku je vidět na obr. 1 – zde byly měřeny pouze axiální síly, nepřímo, přes změnu tlaku ve dvou oddělených komůrkách před a za axiálním ložiskem. Tato koncepce nebyla spolehlivá, proto bylo rozhodnuto navrhnout zařízení na jiném principu a současně rozšířit o měření radiálních reakčních sil.

Reklama
Reklama
Obr. 1. Model radiálního čerpadla s původním siloměrným kozlíkem.

Koncepce měření sil

Nová koncepce měření využívá nakupovaných jednoosých tenzometrických snímačů sil umístěných v jednotlivých táhlech zajišťujících pouze jednoosou napjatost. Hřídel tedy není uložena v žádném tubusu, ale v soustavě táhel s kulovými čepy. Principiálně je tato koncepce zobrazena na obr. 2. Radiální reakční síly se měří na přední i zadní ložiskové skupině pomocí vzájemně předepjatých dvojic siloměrů umístěných ve dvou na sebe kolmých směrech. Axiální síla se měří pomocí soustavy tří táhel, přičemž v jednom z nich je instalován siloměr s možností měření parazitních klopných momentů.

Obr. 2. Koncepce měření radiálních a axiálních sil

Jak je vidět na obr. 2, aby tok sil přes tenzometrické snímače síly probíhal nezkresleně, bez parazitních silových toků, je třeba umožnit naklápění domečků ložisek v místech upevnění táhel siloměrů. Vetknutí táhla snímače síly do domečku může způsobit vznik momentu, který je přenášen do ostatních čidel. Proto je třeba ve všech těchto upevňovacích bodech zajistit kloubové spojení pro eliminaci zmíněných momentů. Současně je třeba dbát na bezvůlové řešení instalace siloměrů. Jakékoli vůle v kloubech způsobují snížení tuhosti uložení hřídele kozlíku a vznik nebezpečí přidření hřídele v těsnicí štěrbině čerpadla. Navíc by v případě změny směru silového zatížení docházelo k negativním hysterezím. V radiálním směru je využito kulových čepů na obou stranách táhel siloměrů, přičemž vůle v kloubech je vymezena vzájemným předpětím dvojic snímačů proti sobě (při změně/reverzaci silového zatížení se tedy stále pohybujeme v oblasti předpětí snímačů a táhel). V axiálním směru toto řešení použít nelze. Namísto jednoduchých táhel s vůlemi v kulových zakončeních musejí být použity bezvůlové klouby speciální konstrukce. Každý takovýto čep je tvořen malým naklápěcím soudečkovým ložiskem, které je předepnuto přes kuželové pouzdro vnitřního kroužku. Takto by nemělo docházet k parazitnímu silovému toku přes siloměr, což je při montáži v axiálním směru kontrolováno snímačem s rozšířenou funkcionalitou – kontrolou klopných momentů zatěžujících snímač.

Konstrukce kozlíku

Obdobně hřídel musí být v obou ložiskových skupinách uložena tak, aby nezpůsobovala parazitní momenty sil. Oba domečky, kde jsou uložena ložiska hřídele, musejí umožnovat naklopení osy hřídele bez současného silového zatížení táhel radiálních snímačů síly. Proto jsou použita naklápěcí ložiska v obou ložiskových skupinách, jak je vidět na obr. 3. Přední skupina zachycuje pouze radiální síly, zadní ložiska jsou radiálně axiální.

Obr. 3. Možnost naklápění ložiskových domků

Protože kozlík je koncipován jako víceúčelové zkušební zařízení pro více typů a velikostí čerpadel s různým axiálním a radiálním zatížením a s odlišnou konstrukcí oběžného kola, je třeba v rámci přípravy kozlíku na konkrétní testy vyměnit hřídel, jejíž dimenzování, délka a tvar zakončení odpovídají konstrukci zkoušeného čerpadla. Tato výměna byla historicky realizována výměnou celé hřídele, což odpovídalo de facto kompletní demontáži kozlíku a následnému seřízení všech snímačů. Nově je demontována pouze přední část hřídele, jak je vidět na obr. 4.

Obr. 4. Prodloužení hřídele siloměrného kozlíku přes kuželový svěrný spoj

Obě části hřídele jsou spojeny přes kuželový svěrný spoj. Kužel slouží k centrování a přenosu krouticího momentu. Přenos momentu je současně zajištěn i rovnobokým drážkováním. Spoj je pojištěn šroubem v ose hřídele. Při finální montáži tento osový šroub slouží také pro axiální fixaci polohy oběžného kola čerpadla (přenos krouticího momentu zajišťuje hřídelové pero). Před započetím testů je nutné provést kontrolu otáčení hřídele ve zkoušeném čerpadle (zda nehrozí nebezpečí přidírání) a případné odchylky eliminovat doseřízením v táhlech kozlíku. Na obr. 5. je vidět zkompletovaný siloměrný kozlík bez testovaného čerpadla na testech dynamických vlastností na ČVUT v Praze.

Obr. 5. Siloměrný kozlík při testování dynamických vlastností (prosím oříznout dle náhledu)

Provozní kalibrace siloměrného kozlíku

Před instalací zkoušeného čerpadla je třeba provést vždy kontrolní justáž všech tenzometrických snímačů siloměrného kozlíku, a to ideálně nejen staticky (tj. bez otáčení hřídele), ale také za rotace hřídele. Za tímto účelem byl zkonstruován přípravek pro provozní kalibraci siloměrů. Na obr. 6 je přípravek upevněn na čelní přírubě kozlíku. Zařízení umožňuje zatěžování v radiálním i axiálním směru a také kombinované zatížení pod úhlem 45°. Pootočením (nutná demontáž) přípravku v ose rotace kozlíku (např. o 45°nebo o 90°) lze realizovat zatěžování v dalších radiálních směrech.

Obr. 6. Přípravek pro provozní kalibraci siloměrného kozlíku

Další použitá senzorika

Pro dynamické měření polohy hřídele kozlíku za provozu čerpadla jsou na testovacím zařízení instalována bezkontaktní čidla výchylky. Snímače mají ukázat, jak se pohybuje střednice hřídele v průběhu zatěžování čerpadla a eventuálně odhalit oblasti (nastavení parametrů čerpadla), kdy by mohlo dojít k nebezpečí přidírání oběžného kola. V ideálním případě je vhodné umístit čidla přímo do oblasti těsnicí štěrbiny čerpadla. To je však technicky obtížné vzhledem k IP krytí snímače i vzhledem ke zhoršení těsnicích vlastností štěrbiny při narušení válcovitosti obou funkčních ploch. Proto bylo rozhodnuto umístit tyto snímače až za ucpávky do suchého prostoru kozlíku, který je v meziprostoru distanční příruby zvané slangově „lucerna“. Zde snímače upevněné do konstrukce příruby cílí na speciálně upravenou válcovou plochu na výměnném konci hřídele kozlíku. Plocha je broušena a leštěna.

Dalšími čidly patřícími do komplexní senzoriky siloměrného kozlíku jsou akcelerometry měřící absolutní vibrace na statorových částech zkoušeného čerpadla, případně na potrubí testovacího okruhu a teploměrech. Akcelerometry a teploměry patří mezi tzv. pohyblivé senzory, jsou opatřeny magnetem a na zkoušené čerpadlo se instalují těsně před započetím testu.

Statická a dynamická data ze všech senzorů jsou zpracovávána převodníky platformy Dewetron, vizualizace naměřených dat je provedena v prostředí Dewesoft a LabView. Takto šlo pouze o rozšíření stávající měřicí ústředny pro záznam měření při hydraulických testech.

Závěr

V současné době probíhají přípravy na finální testování siloměrného kozlíku s instalovaným modelovým čerpadlem. V konstrukci jsou distanční příruby pro další typ modelového čerpadla.

Tento článek vznikl za podpory grantu MPO TA0401157 „Neinvazivní experimentální metody ve výzkumu čerpadel“.

RCMT při Fakultě strojní ČVUT v Praze

Ing. Petr Chvojka, Ph.D.

Reklama
Související články
Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

Aplikace moderních postupů a technologií v obrábění

Společnost Hofmeister pravidelně svým zákazníkům představuje novinky a inovace nejen vlastní, ale také svých obchodních partnerů. Účast na listopadových zákaznických dnech svědčí o velkém zájmu.

Související články
Analýza ozubení rychlostí světla

Nároky na ozubení v automobilovém, leteckém a kosmickém průmyslu, ale i v oblasti klasických průmyslových převodovek neustále rostou. Jednou z výzev je kromě snížení ztrát způsobených třením v převodovce také zvyšující se požadavek na nehlučnost. To se týká zvláště hybridních vozů a elektromobilů. Je pochopitelné, že u součástek těchto převodovek stále roste důležitost vlastností povrchu při kluzném a valivém tření. Jednou z hlavních součástí převodovky jsou ozubená kola.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Inovativní firma roku 2014: VÚHŽ

Soutěž Česká inovace vyhlásila nejlepší tuzemské inovace roku 2014. Jednou ze tří společností oceněných v kategorii Inovativní firma je VÚHŽ, a. s., (původně Výzkumný ústav hutnictví železa) za digitální hladinoměr určený pro hutní provozy (kontilití), kde je pro výrobu kvalitních ocelí potřeba zajistit ustálenou výšku hladiny tekuté oceli v krystalizátoru.

Na cestě ke zrození stroje, část 5: Zakázka

Série deseti článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

Lesk a bída českých obráběcích strojů

Česká republika, resp. tehdejší Československo, mělo bohatou historii ve výrobě obráběcích strojů. Kde v období největší slávy byli ve svých inovačních počinech současní světoví lídři, když např. kovosviťácký konstruktér Ladislav Borkovec se již v roce 1977 začal zaobírat myšlenkou multifunkčního soustružnicko-frézovacího stroje? Přes dřevěný kinematický model, který si vytvořil doma v dílně, vedla dlouhá cesta až k prototypu prezentovanému  na EMO v Paříži v roce 1980. Po vyrobení 45 strojů řady MCSY, které nenazval nikdo jinak než „Boháro“, byla z ekonomických důvodů a nedostupnosti kvalitní řídicí elektroniky bohužel výroba v tehdejším Kovosvitu ukončena. Dva bývalé kovosviťáky, srdcem i duší, Jiřího Mindla a Vladislava Čítka, jsem díky jejich letitým zkušenostem celoživotního zasvěcení oboru obráběcích strojů požádal o rozpravu nad současným stavem tuzemského oboru výrobních strojů a nad tím, jaké jsou jeho případné perspektivy.

25. mezinárodní konference Hydraulika a pneumatika

Novotného lávka v centru Prahy bude ve dnech 8.–9. června 2022 hostit již 25. mezinárodní konferenci Hydraulika a pneumatika, jejímž cílem je výměna odborných zkušeností a nových poznatků ve výzkumu a vývoji hydraulických a pneumatických prvků a systémů.

Zlatá medaile pro prof. Kassaye

Po dvouleté pauze, zapříčiněné hygienickými opatřeními ke snížení šíření pandemie koronaviru, se opět otevřely brány MSV v Brně, v rámci kterého se udílejí i ocenění Zlatých medailí. A to jak vystaveným exponátům, tak tradičně, již od roku 2006, díky iniciativě redakce našeho časopisu, také ocenění osobnosti za její celoživotní tvůrčí technickou práci a dosažené inovační činy.

Jste připraveni na budoucnost? Zjistěte to...

Každý den se probouzíme do situace, kdy nekonečný boj o nové zákazníky o kousek přitvrdí, je stále náročnější a vyhraje ten, kdo se nejlépe a nejrychleji přizpůsobí. Jak řekl rakouský psychiatr Viktor Frankl, základní lidskou vlastností je svoboda rozhodnout se, i když její uplatnění nemusí být lehké. Člověk není svobodný ve vztahu k podmínkám, v nichž žije, ale má svobodu v tom, jaké k nim zaujme stanovisko. Jak se rozhodnete vy?

IoT na insfrastruktuře elektrických rozvodů

V minulém vydání jsme představili nový systém WorkSys, otevřenou IoT platformu pro tvorbu nových aplikací a jejich propojení s již existujícími. Dnes toto téma uzavřeme a představíme nástroj FactoryDashboard pro tvorbu komplexního digitálního dvojčete fabriky.

Současný vývoj v oblasti řezných nástrojů

Vývojové trendy v segmentu obráběcích řezných nástrojů jsou navázány na progresi ve strojírenské výrobě a reagují na aktuální potřeby průmyslu. Výzkum a vývoj již dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování, konstrukce moderních nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL, koncepty inovativních upínacích soustav. V současnosti jsou rozvíjeny technologie pro inteligentní výrobu s aplikací předností Průmyslu 4.0, včetně automatizace výrobního procesu, sběru dat o zařízeních, procesech a vyráběných dílcích. Na veletrhu EMO Hannover 2019 byly společnostmi představeny chytré technologie a řešení inteligentního řízení procesu obrábění. Digitalizace a konektivita jsou nyní důležitější než kdykoliv předtím.

Více propojujme vysoké školy s praxí

Profesor Jaroslav Kopáček patří zcela bez pochyb mezi nestory oboru hydrauliky a pneumatiky v naší zemi ve druhé polovině 20. století, a proto mu byla na Mezinárodním strojírenském veletrhu 2019 v Brně udělena po zásluze Zlatá medaile za celoživotní tvůrčí technickou práci a inovační činy. Při příležitosti ocenění práce pana profesora jsme připravili malý medailonek tohoto skromného a entuziastického člověka. Pan profesor nám při této příležitosti sdělil i několik svých zajímavých postřehů.

Investice firem do Průmyslu 4.0

Svaz průmyslu a dopravy ČR realizoval během letního období průzkum, jehož cílem bylo zjistit, jak tuzemské firmy zavádějí prvky Průmyslu 4.0 a jak jsou na digitální transformaci připraveny. Z výsledků vyplynulo, že polovina firem chce v příštích pěti letech do této oblasti investovat větší objem financí. Nejvíce podniků má zatím na zavádění prvků Průmyslu 4.0 vyčleněno do 5 % investičního rozpočtu. Jak se dalo dedukovat, aktivnější a připravenější na zavádění prvků Průmyslu 4.0 jsou velké firmy.

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