Témata
Reklama

Optimální navrhování mechanických soustav dynamicky namáhaných strojů

Základním požadavkem na experimentální vybavení výzkumného a vývojového útvaru strojírenského podniku je, aby v laboratoři bylo možné nastavit zatěžování zkoumaného objektu jak na provozní hodnoty zatížení, jež se vyskytují při různých druzích provozu, tak i na hodnoty odpovídající jeho přetížení. Žádoucí je i možnost simulace okolního prostředí experimentu (např. teplota, agresivní prostředí). Nastavované hodnoty zatížení jsou získávány především měřením.

Počátkem šedesátých let minulého století začalo praktické využívání hydromotorů v elektrohydraulických zkušebních systémech (EH systémech). Tyto systémy byly konstruovány jako zdroje přímočarých sil, případně krouticích momentů. Počátkem sedmdesátých let se v průmyslu začíná prosazovat číslicová měřicí a výpočetní technika. Zpočátku jednokanálové zatěžování je postupně rozšiřováno na zatěžování vícekanálové řízené číslicovými počítači. Dnes je běžné, že při zkoušce mechanické konstrukce automobilu na pevnost a spolehlivost je v akci současně 12 až 16 i více hydromotorů. U rozměrných dopravních letadel zatěžuje jejich konstrukci současně i více než sto hydromotorů. Vzniklé deformace jsou zároveň měřeny tisíci tenzometry a naměřená data programově on-line zpracovávána. Moderní experimentální technika umožňuje simulovat namáhání ve vybraných provozních či extrémních režimech a při dlouhodobé zkoušce určuje místo poruchy. Často inspiruje k dokonalejšímu konstrukčnímu řešení zkoušeného objektu.

Reklama
Reklama
Reklama
Elektrohydraulický zkušební stroj pro torzní zatěžování

Filozofie dimenzování dynamicky namáhaných strojů

Představa, že počítačovými simulacemi lze nahradit experiment, je překonána, i když s využitím výkonných počítačů a rozsáhlé softwarové podpory může výpočtář interaktivně tvořit mechanickou strukturu technického objektu, měnit tvar a rozměry jednotlivých prvků a dokonce je podle zvolených kritérií optimalizovat. Výpočtář však nemůže zvláště u složitých modelů zaručit, že byly vytvořeny bez chyb. Výpočtové modely vždy jen aproximují fyzikální veličinu. Jak je tato aproximace přesná, prokazuje správně provedený experiment, což není vždy jednoduché. Rovněž přijaté závěry z chybného experimentování mohou být zdrojem nedozírných škod. V minulosti v automobilovém průmyslu k takové situaci došlo. Tisíce prodaných automobilů byly vráceny výrobci.Praxe prokázala, že správným postupem je koincidence experimentů a výpočtového modelování, která se rozšířila z vývoje automobilů a letadel do dalších strojírenských oborů (zemní stroje, zemědělská technika, kolejová vozidla atd.).

Význam zkoušek spolehlivosti a životnosti se zvětšil, protože je zárukou správnosti teoretických výpočtů jejich dimenzování, které je cíleno k dosažení žádané spolehlivosti výrobku v průběhu jeho plánované životnosti. Přes rostoucí výkonnost počítačů jsou výpočtové modely jen přibližné. Zkoušky jsou při nastavení stejných podmínek pro zatěžování zkoumaného objektu a měření mechanických deformací exaktně opakovatelné. Případné změny v dimenzování zkoumaného objektu by se projevily v odlišném průběhu zkoušky. Teprve pak jsou s jistotou určována slabá místa konstrukce a získávány podněty pro změnu výrobní technologie. Současným hlavním problémem těchto náročných zkoušek je nadále přesnost simulace vyjádřená požadavkem, aby odezva zkoumaného objektu ve zkušebně odpovídala skutečnému zatížení provozu v terénu a aby se zkracování doby trvání těchto zkoušek uskutečňovalo bez újmy na jejich věrohodnosti.

Funkce všech hydromotorů vícekanálových EH systémů jsou programovány nezávisle. Syntézu provádí číslicově řízená smyčka realizovaná počítačem. Výpočet se děje ve frekvenční oblasti pomocí Fourierových spekter časových signálů. Vlivy nelinearit se kompenzují iteračním algoritmem. U převážné většiny objektů je reálný frekvenční rozsah zkoušek od nejnižších frekvencí (často nižších než 1 Hz) do 100 Hz, výjimečně až do 400 Hz. U letadel přicházejí v úvahu zkoušky až do 1 kHz. Přímočaré hydromotory mohou být zdrojem síly až 25 kN, torzní hydromotory zdrojem krouticího momentu až 1000 kNm.

Elektrohydraulický zkušební stroj pro dynamické zkoušky tlumičů kmitání

Nejvýznamnější zkoušky

Mezi nejvýznamnější zkoušky mechanických konstrukcí dynamicky zatěžovaných výrobků patří: 

  • zkoušky spolehlivosti a životnosti mechanických konstrukcí, resp. jejich částí v průběhu a po ukončení vývoje, při kterých je simulováno dynamické zatěžování typické pro provoz výrobku;
  • modální analýza zjišťující v průběhu vývoje vlastní frekvence kmitání mechanické konstrukce výrobku a parametry jejího tlumení. V případě, že hmotnost pohyblivých částí hydromotorů nepřípustně zkresluje modální analýzu, je třeba k tomuto účelu použít elektrodynamické vibrátory s podstatně nižší hmotností jejich pohyblivých částí spojených se zkoušeným objektem;
  • zkoušky pro stanovení mezního namáhání výrobku určující mezní režimy exploatace;
  • zkoušky v závěrečné etapě výroby některých výrobků (nejčastěji osobních automobilů), kdy se zatěžováním náhodným spektrem kmitání (po dobu několika sekund) zjišťují anomálie ve frekvenčním spektru odezvy, které svědčí o chybě v montáži, resp. o porušení některé součástky.
  • Dynamické zkušebny mechanických soustav strojů

    Rozvoj leteckého a automobilového průmyslu ve druhé polovině minulého století potřeboval ve vývoji a výzkumu používat metodiku, která vznikala u největších výrobců automobilů v Německu, ve Francii, v Anglii, ve Spojených státech a v Japonsku. Také v bývalém Sovětském svazu bylo v této době na vysoké úrovni rozvinuto zkušebnictví pro letectví a kosmonautiku. Využívání takových zkušeben vedlo k podstatně dokonalejším návrhům mechanických konstrukcí vyvíjených výrobků s optimální hmotností, požadovanou spolehlivostí, pevností a životností. Mělo vliv na volbu optimálních materiálů, zkrátilo dobu výzkumu a vývoje.

    Šestinásobný elektrohydraulický systém pro simulaci provozního zatěžování osobních automobilů a měření jejich únavových charakteristik

    Především zásluhou firmy Schenck z Darmstadtu se podařilo vybavit desítky dynamických zkušeben pro automobilový průmysl značek Mercedes, Audi, VW, Opel a dalších. V Mnichově byla postavena ohromná dynamická zkušebna leteckého koncernu DASA s více než 200 zatěžovacími kanály. Mezi nejmodernější světové zkušebny dnes patří dynamická zkušebna pro letadla Airbus v Toulouse či dynamická zkušebna pro kolejová vozidla v německém Mindenu. Dominantní postavení v Německu má nezávislá dynamická zkušebna Labor für Betriebsfestigkeit v Darmstadtu sloužící podnikům, které nemají vlastní podobné zařízení. Jen s nepatrným zpožděním byly v sedmdesátých letech postaveny první dynamické zkušebny v Československu, jež měly vybudováno i teoretické zázemí zajišťující jednak správnost navržených experimentů, jednak optimální využití naměřených dat pro konstrukční zdokonalení zatěžovaných objektů.

    Zkušební zařízení vyšetřující v laboratoři provozní pevnost potrubí pro zemní plyn dynamickým a statickým zatěžováním v ohybu

    Dynamické zkušebny v ČR

    V Evropské unii je v současné době provozováno přibližně 100 dynamických zkušeben vybavených několika systémy pro zatěžování zkoumaných objektů na více místech. U nás s historií delší 4 desetiletí pracují dynamické zkušebny ve firmách:

  • VZLÚ Praha, kde je instalováno několik vícekanálových zkušebních EH systémů s analogovou a číslicovou řídicí elektronikou firem MTS (16 kanálů) a IST (18 kanálů). Provádějí se zde pevnostní zkoušky letadel a jejich částí a náročné zkoušky konstrukčních materiálů, například kompozitů;
  • Škoda Auto Mladá Boleslav, kde je instalováno několik vícekanálových zkušebních EH systémů s číslicovou řídicí elektronikou firem MTS (16 kanálů) a IST (14 kanálů). Prověřuje se spolehlivost a životnost automobilů a jejich částí;
  • Škoda výzkum Plzeň, kde jsou instalovány analogově řízené EH systémy Schenck (8 kanálů) a číslicově řízené EH systémy (14 kanálů) pro pevnostní zkoušky konstrukcí autobusů, trolejbusů, částí kolejových vozidel a pro zkoušky objektů zahraničních zákazníků;
  • Tatra Kopřivnice, kde je analogový EH systém se čtyřmi hydromotory Schenck pro zkoušky kabin nákladních automobilů a dalších konstrukčních částí;
  • Výzkumný ústav železniční Cerhenice, kde je analogově řízený EH systém Schenck (8 kanálů) a číslicově řízený EH systém IST (12 kanálů) pro zkoušky kolejových vozidel a jejich částí.
  • V České republice působí řada dalších nových zkušeben vybavených převážně EH stroji Schenck pro dynamické a kvazistatické zkoušky konstrukčních materiálů a konstrukčních dílů, například Výzkumný ústav materiálu Běchovice, Monroe Hodkovice (tlumiče), TRW Dačice (systémy řízení), STOS Oslavany, BRANO Jablonec, Škoda Motorsport (tlumiče), Rubena Hradec Králové (životnostní zkoušky elastomerů). V poslední době jsou stavěny dynamické zkušebny na ČVUT Praha a VUT Brno. Po několikaleté přestávce se opět zvyšují investice do českých dynamických zkušeben, což je důkazem pokračování rozvoje našeho strojírenství. Téměř bez výjimek totiž platí, že jakou úroveň má experiment při vývoji výrobku, takovou má i zkoušený výrobek. Nesporným přínosem je i skutečnost, že v poslední době začal kvalitní EH stroje a systémy dodávat také český podnik Inova.

    Ing. Jiří Černohorský, DrSc.

    kbexpert@seznam.cz

    Reklama
    Vydání #10
    Kód článku: 61007
    Datum: 11. 10. 2006
    Rubrika: Inovace / Měření
    Autor:
    Firmy
    Související články
    Kontrola rotačních součástek v sériové výrobě

    Hřídelové a kotoučové součástky patří k nejrozšířenějším ve strojírenství. S nástupem elektromobility jejich podíl zřejmě ještě poroste. Sériová výroba běžně pracuje v sekundovém taktu, a stejně tak rychlá musí být nově i kontrolní technika. Stoprocentní kontrola se již stává samozřejmostí.

    Přesné měření libovolného materiálu nebo povrchu

    Společnost Keyence uvedla na trh řadu konfokálních snímačů polohy CL-3000 pro vysoce přesné měření na jakémkoliv materiálu nebo povrchu. Tyto vysoce kompaktní koaxiální laserové snímače polohy pomáhají s takovými úkoly, jako je zlepšování kvality, prevence dodávek nevyhovujících dílů a zvyšování objemu výroby.

    Měření v rámci celého výrobního řetězce

    Na cestě k aplikaci konceptu Průmyslu 4.0 se měřicí a kontrolní technologie čím dál víc používají jako řídící nástroj ve výrobě. V rámci plnění této nové role ale potřebují pružněji a rychleji zachytit kvalitativní údaje na různých místech: v měřicí laboratoři, v těsné blízkosti výrobní linky, stejně tak jako přímo v ní.

    Související články
    Plováčkové průtokoměry na olej

    Výrobou přístrojů pro polní instrumentaci se dlouhodobě a úspěšně zabývá celosvětově působící společnost Kobold Messring. Do jejího hlavního programu patří průtokoměry, teploměry, hladinoměry a tlakoměry.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Měřicí technologie pro Průmysl 4.0 v Nitře

    Průmysl 4.0 závisí na propojení systémů schopných spolu komunikovat, schopných získávat, vyhodnocovat a sdílet data a na takto zpracované informace reagovat v reálném čase. Údaje z měření jsou nezbytné pro shromažďování informací, které mají být použity při inteligentním rozhodování za účelem zabránit nežádoucím procesním změnám.

    Měřicí přístroje pro efektivní výrobu

    Jestliže jsou nástroje přesně zaměřeny a seřízeny ještě před samotným obráběním mimo obráběcí stroj, lze následně zkrátit vedlejší neproduktivní časy na stroji a zvýšit tak celkovou efektivitu výroby. Přístroje pro měření a seřizování nástrojů mohou v samotném procesu třískového obrábění zajistit zvýšení produktivity až o 25 %, a to při velmi dobrém poměru cena/výkon. Úspěšné obrábění tedy vyžaduje nejen výkonné stroje, ale i přesně seřízené nástroje.

    Velmi přesný měřicí stroj pro výpočetní tomografii

    Nový model TomoCheck S HA (High Accuracy) 200 společnosti Werth Messtechnik GmbH se senzorem pro výpočetní tomografii je aktuálně nejpřesnějším souřadnicovým měřicím strojem na světě.

    Měřicí technika se stává součástí výrobních strojů

    Vzhledem k tomu, že jednou z aktivit České metrologické společnosti, z. s., je mimo jiné také sledování prezentace aktuálních metrologických novinek, trendů vývoje a zastoupení metrologie na veletrzích pořádaných v České republice i v zahraničí, navštívili jsme mimo jiné veletrh Toolex 2017, který se již po desáté konal v polském městě Sosnowiec na třetím největším výstavišti v Polsku – Expo Silesia.

    Jak dokonale měřit průtok

    Pro měření průtoků v průmyslových závodech nebo pro testování složení protékající tekutiny dnes existuje řada snímačů průtoku a průtokoměrů, které lze použít v nejrůznějších pracovních prostředích. Mnohé z nich pocházejí z dílny společnosti Kobold Messring GmbH.

    Konfirmace měřidel

    Příspěvek se zabývá problematikou zajištění návaznosti měření a rozebírá obvyklé metrologické čin-nosti, které jsou za tím účelem prováděny. Zákon o metrologii i běžná praxe zmiňují jako základní postupy kalibraci nebo ověření stanovených měřidel. Kalibrace je postup vedoucí k dosažení způsobilého měřidla ve dvou logických krocích podle definice VIM. Vždy musí být zjištěn aktuální stav měřidla – provádí se zkouškou, která ověří, zda je měřidlo způsobilé plnit dané specifikace, či nikoliv. Nezpůsobilé měřidlo se musí kalibrovat nebo vyřadit. O výsledku je vydán doklad (kalibrační certifikát), jímž je potvrzena způsobilost z dřívější kalibrace nebo způsobilost dosažená kalibrací novou. Zvláštní pozornost je věnována kalibraci měřidel řízených softwarem, např. u souřadnicových měřicích strojů.

    Optický CMM skener

    Firma Creaform letos v dubnu představila nový model 3D skeneru MetraScan 3D, který díky svým inovacím a parametrům nastavuje nový standard v oblasti metrologie a laserového 3D skenování.

    Střípky ze svátku metrologie

    Ještě před letošním svátkem metrologů, jenž se slaví 20. května, se konala tradiční metrologická událost světového rozsahu – veletrh Control v německém Stuttgartu.

    Multisenzorová souhra - měřicí stroje s pevným portálem

    Po mnoho let se souřadnicové měřicí stroje společnosti Werth Messtechnik GmbH osvědčují při měření s více snímači umístěnými na dvou nezávislých osách. Nebezpečí kolize mezi snímačem a obrobkem se tak podstatně sníží, protože senzory, které nejsou používány, jsou zasunuty.

    Expimer - expresní zařízení pro rychlé stanovení materiálových vlastností

    Expimer, prezentovaná instrumentovaná měřicí soustava pro stanovení mechanických vlastností materiálů indentační metodou, může být alternativním způsobem, jak rychle definovat materiálové vlastnosti. Celý proces spočívá v tom, že na základě parametrů získaných v průběhu makroprocesu automatizovaného vtlačovaní indentoru kulového tvaru (ABI) do povrchu materiálu bez porušení konstrukce, lze rychle zjistit požadované materiálové vlastnosti. Tato metoda je jedinečná vzhledem k jednoduchosti, rychlosti vyhodnocení, manipulovatelnosti a užitečnosti pro stanovení mechanických vlastnosti materiálů během jejich vývoje, výroby a zejména v pracovních podmínkách provozu.

    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