KONSTRUKCE D Ř ECÍHO VÁLCE A BEZPE Č NOSTNÍHO ZA Ř ÍZENÍ THE CONSTRUCTION OF A SCRATCH

FAKULTA STROJNÍ

KATEDRA TEXTILNÍCH A JEDNOÚ Č ELOVÝCH STROJ Ů 2012

JOSEF EGERT

Studijní program B 2341 Strojírenství

Obor 2302 R022 Stroje a zařízení

Zaměření Stavba strojů

KONSTRUKCE D Ř ECÍHO VÁLCE A BEZPE Č NOSTNÍHO ZA Ř ÍZENÍ THE CONSTRUCTION OF A SCRATCH

ROLLER AND A SAFETY DEVICE

KTS-B047

Vedoucí bakalářské práce Ing. Jaroslav Kopal, Csc.

Zadání bakalá ř ské práce

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím bakalářské práce a konzultantem.

Datum

Declaration

I have been notified of the fact that Copyright Act No. 121/2000 Coll. applies to my thesis in full, in particular Section 60, School Work.

I am fully aware that the Technical University of Liberec is not interfering in my copyright by using my thesis for the internal purposes of TUL.

If I use my thesis or grant a licence for its use, I am aware of the fact that I must inform TUL of this fact; in this case TUL has the right to seek that I pay the expenses invested in the creation of my thesis to the full amount.

I compiled the thesis on my own with the use of the acknowledged sources and on the basis of consultation with the head of the thesis and a consultant.

Date

Signature

Pod ě kování

Rád bych tímto poděkoval vedoucímu mé bakalářské práce, panu Ing. Jaroslavu Kopalovi, CSc. za odborné vedení a velmi cenné rady poskytnuté v průběhu vypracování této bakalářské práce.

Anotace

Tato bakalářská práce se zabývá úpravou stroje, který se používá k vytvoření tzv. velurové úpravy na povrchu plstěných klobouků.

Cílem je nahrazení stávajícího povrchu dřecího válce, který je ze žraločí kůže jiným, vhodným, levným a spolehlivým povrchem. Pro takto zvolený povrch je třeba navrhnout optimální bezpečnostní prvky, jelikož se dřecí válec otáčí obvodovou rychlostí přibližně 30 m/s a je v bezprostřední blízkosti obsluhy stroje, která k němu ručně přitlačuje upravovaný klobouk.

První část této práce je zaměřena na možnosti náhrady dřecího povrchu, porovnání jednotlivých povrchů a volbu nejvhodnějšího z nich.

Druhá část se zabývá návrhem bezpečnostních prvků pro zvolený dřecí povrch, kontrolními výpočty rozhodujících částí a vytvořením výrobní dokumentace.

Annotation

This bachelor thesis deals with the modifying machine, which is used to create the flock on the surface of felt hats.

The goal is to replace existing surface of the scratch cylinder which is made of shark leather with suitable, cheap and reliable surface. The optimal security features should be constructed for this surface, because the cylinder rotates with speed of approximately 30 m/s in the immediate contact of the machine operator, who manually approaches the hat to the cillinder.

The first part of this work is focused on the possibilities of replacing scratch surface, comparison of the various surfaces and the choice of the best one.

The second part deals with safety features for the selected scratch surface, stress analysis of the critical parts and the creation of manufacturing documentation.

Klí č ová slova

Dřecí válec, pilkový povlak, bezpečnostní zařízení, pevnostní výpočty

Keywords

Scratch cylinder, card clothing, safety equipment, stress analysis

Obsah

Seznam použitých zkratek a symbolů ... 10

Seznam obrázků ... 11

Seznam tabulek ... 11

Úvod ... 12

1. Dřecí povrch ... 13

1.1. Žraločí kůže ... 13

1.2. Frézovaný povrch ... 15

2. Alternativní dřecí povrchy ... 17

2.1. Drátkový povlak ... 17

2.2. Pilkový povlak ... 19

2.3. Shrnutí ... 22

3. Bezpečnostní zařízení... 23

3.1. Provozní podmínky ... 23

3.2. Požadavky na bezpečnostní zařízení ... 23

3.3. Konstrukce jednotlivých prvků ... 24

3.3.1. Nosná konstrukce N ... 26

3.3.2. Otočný kryt O ... 27

3.3.3. Dřecí válec D... 28

3.3.4. Tlumič T ... 29

3.3.5. Kuličkový zámek K ... 31

3.3.6. Západka Z... 32

4. Analýza rozhodujících konstrukčních prvků... 33

4.1. Střižný kolík ... 33

4.1.1. Návrh materiálu střižného kolíku ... 33

4.1.2. Výpočty ... 35

4.1.3. Zhodnocení ... 35

4.2. Otočný kryt O ... 36

4.3. Dřecí válec D ... 36

4.4. Tlumiče T ... 37

Seznam použitých zkratek a symbol ů

„D“ Dřecí válec [-]

„N“ Nosná konstrukce [-]

„O“ Otočný kryt [-]

„T“ Tlumič [-]

„K“ Kuličkový zámek [-]

„Z“ Západka [-]

POM-C Polyoxymethylen-copolymer [-]

PTFE Polytetrafluorethylen [-]

Π Ludolfovo číslo [-]

k Koeficient restituce [-]

D Průměr [mm]

τ_s Napětí ve střihu [Pa]

F Zatěžovací síla [N]

S Plocha průřezu [m²]

σ_t Napětí v tahu [Pa]

I Moment setrvačnosti [kg mm²]

Tx, Ty, Tz Souřadnice těžiště [mm]

n Otáčky [min^-1]

Ek Kinetická energie [N]

ω Úhlová rychlost [rad s^-1]

∆_x Posunutí [mm]

Seznam obrázk ů

Obr. 1 – Dřecí stroj s frézovaným dřecím válcem ... 12

Obr. 2 – Detail žraločí kůže 1 ... 13

Obr. 3 – Detail žraločí kůže 2 ... 14

Obr. 4 – Detail frézovaného povrchu ... 15

Obr. 5 – Otřepy na hranách trnů frézovaného povrchu ... 16

Obr. 6 – Detail drátkového povlaku ... 17

Obr. 7 – Princip uchycení drátků v textilní základně ... 18

Obr. 8 – Různé typy pilkových povlaků ... 19

Obr. 9 – Vlevo obyčejná základna, vpravo základna zámková ... 19

Obr. 10 – Povrchová úprava pilkového povlaku ... 20

Obr. 11 – Detail zvoleného pilkového povlaku... 21

Obr. 12 – Šroubovicově navinutý pilkový povlak na válci ... 21

Obr. 13 – Pilkový povlak navinutý ve dvouchodé drážce ... 22

Obr. 14 – Sestava nosné konstrukce N ... 26

Obr. 15 – Sestava otočného krytu O ... 27

Obr. 16 – Sestava dřecího válce D ... 28

Obr. 17 – Sestava tlumiče T ... 29

Obr. 18 – Sestava kuličkového zámku K ... 31

Obr. 19 – Sestava západky Z... 32

Seznam tabulek

Tab. 2 – Mechanické vlastnosti PTFE ... 34

Tab. 3 – Seznam použitých vzorců ... 35

Úvod

Plsť je látka, vytvořená vzájemným zachytáváním a zaplétáním, tedy plstěním živočišných, případně rostlinných vláken za působení tlaku, vlhkosti a zvýšené teploty.

Při výrobě plstěných klobouků ve společnosti TONAK a.s. se k úpravě používají tzv. dřecí stroje (obr. 1), které slouží k vytvoření vlasu na povrchu plsti. Jedná o stroje s litinovým rámem přibližně 1m vysoké, poháněné 3 fázovým asynchronním motorem, jehož výkon je převáděn pomocí řemenového převodu na hnací hřídel, která symetricky vyčnívá na obou stranách strojů, a vytváří tedy na jednom stroji 2 pracovní pozice.

Na hnací hřídeli jsou umístěny 2 tzv. dřecí válce, každý na jednom konci hřídele, které rotují s obvodovou rychlostí až 30 m/s. Povrch těchto válců, tzv. dřecí povrch je pokryt velmi malými hroty. Obsluha dřecího stroje ručně přitlačuje postupně celý povrch plstěného klobouku k dřecímu válci. Tím dochází k „vyčesávání“ vláken z látky a vytvoření povrchu podobného semišovému, tzv. velurové úpravě.

Cílem této práce je nalezení vhodného dřecího povrchu, který by eliminoval nedostatky v současné době používaných povrchů.

Obr. 1 – Dřecí stroj s frézovaným dřecím válcem

1. D ř ecí povrch

1.1. Žralo č í k ů že

Původně byl ve firmě TONAK a.s. využíván dřecí povrch ze žraločí kůže (Obr.

2,3). Ta byla zpracována, srovnána a nastříhána na pásy šíře 60 mm. Pás žraločí kůže se následně připevnil na dřecí válec, který byl opatřen štěrbinou, do které se zasunuly oba konce pásu. Napnutí na válec se provádělo segmentem zajištěným šroubem s maticí.

Obr. 2 – Detail žraločí kůže 1

Obr. 3 – Detail žraločí kůže 2

Žraločí kůže se vyznačuje tím, že je pokryta drobnými trny (drápy) kuželovitého tvaru. Tento tvar je ideální pro vyčesávání a prakticky nenahraditelný technologickými postupy.

Trny jsou na kůži rozmístěny šachovnicově. Při vyčesávání tedy nevznikají na látce mapy po trnech, což je velmi výhodné, jelikož mapy na povrchu látky jsou nežádoucí.

Trny jsou vytvořeny z dentinu, tj. zuboviny s tvrdostí 4 – 6 stupně Mohsovy stupnice tvrdosti. Na povrchu jsou potaženy emailovým sklovitým povlakem s tvrdostí 6 – 7 stupně Mohsovy stupnice tvrdosti.

Hrot trnů je zaoblen přibližně poloměrem 0,1 mm. Sklon trnů vůči rovině je zhruba 45°. Velikost a nahuštění zubů je různé podle druhu žraloka a lokace na těle.

Řádově je hustota 30 – 60 ostnů na 1 cm² a výška trnů je 1 – 2 mm.

Vzhledem ke kuželovitému tvaru trnů a jejich hladkému povrchu nedochází při vyčesávání k zanášení zubů brusným prachem, jelikož prach se na trnech neudrží a je snadno odsáván z dřecího povrchu pomocí odsávacího zařízení.

Žraločí kůže byla pro firmu TONAK a.s. zakázkově dodávána ze speciálního druhu žraloka chovnou stanicí, která zanikla spolu s úmrtím jejího majitele. Dodávka se tedy přerušila a firma TONAK a.s. byla nucena hledat náhradní řešení.

1.2. Frézovaný povrch

Jedním z pokusů firmy TONAK a.s. o nahrazení žraločí kůže je trnový povrch (Obr. 4) vytvořený přímo na kovovém válci pomocí frézování a následně soustružení.

Obr. 4 – Detail frézovaného povrchu

Výrobní postup je následující. Nejprve jsou na frézce pilovým kotoučem s břitovou hranou alfa=30° vytvořeny na válci v požadované rozteči příčné drážky.

Obr. 5 – Otřepy na hranách trnů frézovaného povrchu

2. Hrot trnu a čelní hrana je velmi ostrá. Vlákna látky jsou tedy přetrhávána namísto vyčesávání. Tento problém je možné odstranit pískováním, avšak pískování výrazně otupí hrot trnu.

3. Na bočních hranách trnu jsou otřepy, které vznikly při soustružení. Tyto otřepy také způsobují přetrhávání vláken plsti a dále výrazně přispívají k zanášení povrchu dřecího válce vlákny. Vzhledem k nerovnému povrchu otřepů se zachycená vlákna z dřecího válce špatně odstraňují.

4. Použitou technologií výroby nelze dosáhnout srovnatelné hustoty trnů jako u žraločí kůže.

5. Vytvořené trny jsou rozmístěny pravidelně v řadách namísto šachovnicového rozdělení u žraločí kůže a při drásání vytváří na plsti klobouku drážky odpovídající rozteči trnů.

Frézovaný dřecí válec je pro firmu TONAK a.s. vyráběn na zakázku. Výroba válce je náročná a cena tedy vysoká. S ohledem na výše uvedené problémy lze označit frézovaný povrch jako nevhodný.

2. Alternativní d ř ecí povrchy

Z výše uvedeného popisu používaných dřecích povrchů je zřejmé, že je třeba nalézt takový povrch, který se svými vlastnostmi co nejvíce blíží povrchu ze žraločí kůže. Je také důležité, aby zvolený povrch byl snadno dostupný a pořizovací náklady byly nízké.

2.1. Drátkový povlak

Prvním navrženým dřecím povrchem byl drátkový povlak (Obr. 6). Využívá se v česacích strojích a vzhledem k podobnosti česání s vyčesáváním na dřecích strojích bylo rozhodnuto o odzkoušení tohoto druhu povrchu.

nutné.

Obr. 7 – Princip uchycení drátků v textilní základně [1]

Při zkouškách se však tento povlak neosvědčil. Bylo nutné snížit obvodovou rychlost válce na 1,5 m/s Pokusy se zjistilo, že hlavní překážkou byla přílišná pružnost drátků, která způsobovala „zakousnutí“ do povrchu klobouku, který nebylo možné zafixovat stejně jako na česacích strojích. Navíc docházelo k silnému zanášení povrchu, ze kterého by výčesky musely být obtížně čištěny pomocí rotujícího kartáče.

Vzhledem k výše uvedeným poznatkům je zřejmé, že drátkový povlak je pro použití na dřecích strojích nevhodný.

2.2. Pilkový povlak

Druhým navrženým povrchem je pilkový povlak, jelikož je vyráběn v mnoha typech (Obr. 8), z nichž některé se svou geometrií přibližují žraločí kůži.

Obr. 8 – Různé typy pilkových povlaků [1]

Pilkový povlak (anglicky card clothing) se využívá v mykacích strojích, kde jsou jím potaženy jednotlivé válce mykacího stroje. Je složen ze základny obdélníkového, nebo čtvercového průřezu, ze které vyčnívá vlastní profil zubu. Základna může být i tzv. zámková (Obr. 9). Ta se vyznačuje tím, že z jedné strany základny vyčnívá výstupek a z druhé strany je vybrání. Při návinu pilkového povlaku do sebe tyto výstupky zapadnou a zvýší se celková pevnost pilkového povlaku. Šířka základny určuje příčnou rozteč mezi zuby.

speciální povrchovou úpravu (Obr. 10), která zlepšuje jejich vlastnosti a hlavně životnost. Samotné navinutí pilkového povlaku na válce se provádí na speciálních strojích, avšak to zajistí sám dodavatel.

Obr. 10 – Povrchová úprava pilkového povlaku [1]

U pilkového povlaku je nutné zohlednit bezpečnostní rizika při jeho případném přetržení. Vzhledem k tomu, že v případě dřecích strojů je obsluha vystavena obnaženému dřecímu válci, tak by případné zranění mohlo být smrtelné. Přetržení pilkového povlaku je sice velmi nepravděpodobné, avšak nelze jej zanedbat. Je tedy třeba navrhnout bezpečnostní zařízení, které by zranění zabránilo.

Pro zkoušky byl nejprve použit hrubší pilkový povlak, který se však neosvědčil, jelikož při vyčesávání docházelo k prodření klobouku. Bylo zjištěno, že trny povlaku jsou příliš vysoké a příliš ostré. Dřecí válec s povlakem byl tedy zbroušen, čímž se snížila výška trnů a hroty trnů se otupily. Poté již vyčesávání proběhlo uspokojivě.

Ideální pilkový povlak by byl takový, který by se svými parametry co nejvíce přibližoval žraločí kůži. Byl zvolen povlak od německé firmy Trutzschler [1]

s označením T 20.30.050.0860.05 (Obr. 11). Tento povlak byl odzkoušen, avšak hroty trnů byly opět příliš ostré. Bylo tedy provedeno pískování, které zachovalo geometrii trnu a ostré hroty otupilo. Opětovná zkouška vyčesávání již byla úspěšná.

Obr. 11 – Detail zvoleného pilkového povlaku [1]

Pilkový povlak byl nejprve navinut na dřecím válci do šroubovice (Obr. 12), stejným postupem, jako se navíjí na válce mykacích strojů. Výsledná hustota trnů však byla příliš vysoká. Přistoupilo se tedy k vytvoření drážky do povrchu dřecího válce se stoupáním, které bude zajištovat požadovanou hustotu trnů. Do této drážky se poté opět navinul pilkový povlak a proběhla zkouška. Uvedené uspořádání zajištuje, že dřecí hroty vyčnívají jen 0,5 mm nad povrch dřecího válce a společně s „rovnou“ plochou mezi pilkovým povlakem zabraňují zanášení vyčesávanými vlákny a jejich snadné odsávání.

válec s dvouchodou šroubovicovou drážkou (Obr. 13). Toto řešení však nepřineslo výrazné zlepšení a výroba dvouchodé drážky je náročná, včetně potažení pilkovým povlakem.

Obr. 13 – Pilkový povlak navinutý ve dvouchodé drážce

2.3. Shrnutí

Z výše uvedené analýzy vyplývá, že nejvhodnější náhrada dřecího povrchu ze žraločí kůže je povrch s vhodně zvoleným pilkovým povlakem. Při této volbě je však nutné navrhnout bezpečnostní zařízení, které by zabránilo zranění obsluhy při přetržení pilkového povlaku.

3. Bezpe č nostní za ř ízení

Vzhledem k použití pilkového povlaku je nutné navrhnout spolehlivé bezpečnostní prvky, které zabrání zranění obsluhy dřecího stroje v případě přetržení pilkového povlaku.

3.1. Provozní podmínky

Provozní otáčky dřecího válce se pohybují v rozmezí 3200 až 3700 ot/min.

Dřecí válec má průměr buď 160 – 165 mm, nebo 140 – 145 mm. Šířka dřecího válce je 60 mm.

Obvodová rychlost na povrchu dřecího válce a tedy rychlost pilkového povlaku je přibližně 30m/s.

Dřecí stroj i bezpečnostní zařízení musí odolat nánosům výčesků odletujícím od dřecího povrchu.

3.2. Požadavky na bezpe č nostní za ř ízení

Pokud dojde k přetržení pilkového povlaku při provozních otáčkách, začne se povlak odvinovat. Při těchto otáčkách by došlo ke zranění obsluhy dříve, než by jakýkoliv elektronický snímač stihl zastavit rotaci válce odpojením, či zabrzděním hnacího pohonu.

Jediným řešením je otočný kryt, který obsahuje nárazník umístěný bezprostředně nad pilkovým povlakem. Pokud by došlo k přetržení povlaku, tak se povlak zachytne za

vhodné tlumiče, avšak veškeré běžně dostupné typy hydraulických i pneumatických tlumičů jsou omezeny maximální nárazovou rychlostí, která je výrazně nižší, než rychlost otočného krytu. Z tohoto důvodu byl navrhnut pružinový tlumič.

Pružinový tlumič je však nutné zajistit v koncové poloze, aby nedošlo ke zpětnému otevření krytu vlivem reakcí pružin.

Při přetržení pilkového povlaku je také nutné přerušit hnací moment. Opět vzniká problém s reakčními časy. S výhodou zde lze využít rozdělení dřecího válce na 2 části spojené pouze střižným kolíkem, který v případě nárazu do pružinových tlumičů přeruší spojení mezi vnější a vnitřní částí dřecího válce.

Také je třeba zaslat impuls hnacímu motoru, aby vypnul. To je možné zajistit pomocí indukčních snímačů, které snímají klidovou polohu otočného krytu a při jeho pohybu hnací motor odpojí. Motor se může nechat samovolně zastavit, nebo se využije brždění protiproudem.

3.3. Konstrukce jednotlivých prvk ů

Celá sestava je rozdělena na několik samostatných celků.

Nosná konstrukce „N“ vytváří pevný rám pro konstrukci otočného krytu a dalších bezpečnostních prvků.

Otočný kryt „O“ je umístěn soustředně s dřecím válcem a při poruše pilkového

povlaku se povlak zachytí za nárazník krytu a uvede jej do pohybu, při kterém dojde k zakrytí obnažené části válce.

Dřecí válec „D“ vytváří uložení pro pilkový povlak a obsahuje střižný kolík pro přerušení hnacího momentu.

Tlumič „T“ Transformovanou energii z dřecího válce do otočného krytu je třeba absorbovat. Pro tento účel slouží tlumiče „T“. K rámu stroje jsou připojeny nezávisle na nosné konstrukci „N“ a jsou těsně uloženy v pouzdrech na nosné tyči.

Kuličkový zámek „K“, který je umístěn mezi nosným rámem „N“ a otočným

krytem „O“. Zajištuje, aby se kryt samovolně neotáčel kvůli velkým aerodynamickým silám, které na něj působí.

Západka „Z“. Při zavření bezpečnostního krytu je nutné zajistit kryt v koncové

poloze, aby nedošlo ke zpětnému otevření krytu vlivem zpětné reakce pružin v tlumičích.

Indukční snímače zajištují odpojení hnacího motoru. Jsou umístěny proti sobě

v bočních stěnách N4 a N5 nosné konstrukce N, tak, aby spolehlivě zachytili okamžik začátku natáčení otočného krytu. V páru jsou umístěny pro zvýšení spolehlivosti odpojení. Byly zvoleny indukční snímače od firmy BALLUFF s rozměry pouzdra M8x1 s označením BES M08EG-PSC40F-BV02. [6]

Odlehčovací páka je jednoduché zařízení nutné ke snadnému odlehčení

napnutých pružin. Jedná o dlouhou tyč s otvorem, kterým se nasune na hnací hřídel. Na jednom konci této hlavní tyče je pod úhlem 90° navařena druhá, menší tyč obdélníkového průřezu, která se zasune do speciálního otvoru v boční stěně N5 nosné konstrukce N. Poté se pomocí tohoto pákového mechanismu nadzvedne otočný kryt, obsluha uvolní západku a pákou pomalým otáčením odlehčí napnuté pružiny.

Obr. 14 – Sestava nosné konstrukce N

Sestava nosné konstrukce N (Obr. 14) plní funkci rámu bezpečnostního zařízení a spojuje jej s rámem dřecího stroje.

Skládá se z příruby N1, která vytváří připojení bezpečnostního zařízení k rámu dřecího stroje. Je nasazena na víku ložiska stroje, vystředěna a připevněna pomocí 4 šroubů M12. Obsahuje otvor pro hnací hřídel a 2 otvory pro umístění kruhových nosných tyčí N2 a N3. Tyto tyče odpovídají normě CSN. Na jednom konci mají osazení, kterým se zalisují do otvorů příruby N1 a svaří se s ní. Na nosných tyčích N2 a N3 jsou nasunuty dvě desky, boční stěny N4 a N5. Jsou vytvořeny z 6 mm silného plechu. Obsahují otvory pro vložení kuličkových zámků, západky, snímačů polohy otočného krytu a hlavního otvoru pro uložení otočného krytu. Pravá boční stěna N5 navíc obsahuje otvor pro vložení odlehčovací páky. Boční stěny N4 a N5 jsou ve svých pozicích zajištěny čtyřmi jistícími kroužky N6 – N9, které se umístí z obou stran bočních a na obě nosné tyče. Do bočních stěn N4 a N5 jsou zalisovány a zavařeny vnitřní kroužky N10 a N11. Na tyto kroužky jsou nasazeny kluzné teflonové vložky N12 a N13.

3.3.2. Otočný kryt O

Obr. 15 – Sestava otočného krytu O

Sestava otočného krytu O (Obr. 15) se skládá ze dvou bočních stěn O1 a O2, tří tyčí obdélníkového profilu O3, O4, a O5 a krycího plechu O6. Boční stěny O1 a O2 jsou nasazeny na teflonových kroužcích N12 a N13, po kterých se mohou volně

Obr. 16 – Sestava dřecího válce D

Sestava dřecího válce D (Obr. 16) se skládá z vnitřního prstence D1, který je nasunut na hnací hřídeli a zajištěn podložkou a šroubem. Na vnitřním prstenci D1 je volně nasunut vnější prstenec D4, který je z obou stran zajištěn přírubami D2 a D3.

Příruby D2 a D3 obsahují drážky, které zajištují jejich soustřednou polohu proti vnitřnímu prstenci D1. Dále příruby obsahují každá 3 otvory pro šrouby DIN 7991 M4x12 rozmístěné po 120° a vzájemně posunuté o 60°. Převod hnacího momentu z vnitřního prstence D1 na vnější prstenec D4 je zajištěn pomocí střižného kolíku, který se zasune do otvoru průměru 5 mm v přírubě D3. V přírubě D2 je vyvrtán soustředný otvor průměru 3mm pro případné vyražení poškozeného střižného kolíku D5.

3.3.4. Tlumič T

Obr. 17 – Sestava tlumiče T

Sestava tlumiče T (Obr. 17) musí zabrzdit a zastavit rotační pohyb otočného krytu a absorbovat vzniklou energii, pokud by došlo k poruše pilkového povlaku.

spojena k tyči T4. Tyč T4 odpovídá normě CSN 425570, tedy tyči průřezu U. Je svarovým spojem je připevněna k přírubě T1 a k podpěrné tyči T2. Na tyči T4 je navařen spodní díl pouzdra pro uložení těles tlumičů T5. Obsahuje díry se závitem pro připojení horního dílu pouzdra T6. Horní díl pouzdra T6 obsahuje díry pro šrouby CSN 02 1201 M8x20, kterými je spojen ke spodnímu dílu pouzdra T5. Tlak, který vyvozuje utahovací moment šroubů, vytváří třecí síly na styčných plochách částí pouzdra vůči tělesům tlumičů.

Dále je v této sestavě zahrnuto těleso tlumiče, které se skládá z pláště T7, který představuje kruhová trubka dle normy CSN. Z vnější strany je sevřena horním T6 a spodním T5 dílem pouzdra. Na jednu stranu pláště je nasazena a navařena krytka T8.

Skládá se z kruhové trubky, na kterou je navařen kruhový plech. V tomto plechu je vyvrtán otvor pro nastavovací šroub. Uvnitř pláště T7 je vloženo vnitřní zajištění pružiny T9. Jedná se o kruhovou trubku, ve které je zasunuto jádro tlumiče. Z jedné strany je zajištěna zadní krytkou T8 a ze strany druhé se o ni opírá pružina T11. Dále je zde polytanová vložka T10, která vymezuje maximální zdvih tlumiče. Je nasunuta na jádru tlumiče T13 a opřena o zadní krytku T8. Použité pružiny T11 a T12 jsou tlačné, dle normy CSN. Jsou volně nasunuty za sebe na jádru tlumiče T13 Z jedné strany se opírají o vnitřní zajištění T9 a ze strany druhé o osazení jádra tlumiče. Jádro tlumiče T13 se skládá z části pro vedení pružin, části se závitem pro nastavovací šroub a nárazníkové části. Nárazníková část má speciální tvar takový, aby nedocházelo ke kolizi s okolními součástmi. Jádro tlumiče je uloženo v jedné části v plášti tlumiče a v druhé části v zadní krytce tlumiče. Na špičce nárazníkové části je umístěna polytanová vložka T14 pro zmírnění sil při nárazu.

3.3.5. Kuličkový zámek K

Obr. 18 – Sestava kuličkového zámku K

Sestava kuličkového zámku K (Obr. 18) musí zajistit, aby nedošlo k samovolnému pohybu otočného krytu vlivem aerodynamických sil, nebo tlaku brusného prachu, který by se mohl hromadit za zubem otočného krytu.

Je složen z následujících součástí. Vnitřní uložení kuličky K1 je kroužek s vnějším zkoseným osazením a vnitřním průchozím otvorem, který se na okraji rozšiřuje a do rozšíření zapadá kulička K6. Je vlisován do stěny otočného krytu O1, respektive

Obr. 19 – Sestava západky Z

Sestava západky „Z“ (Obr. 19) zajištuje otočný kryt „O“ v jeho koncové poloze, aby nedošlo k jeho zpětnému pohybu.

Je uložena v bočních stěnách N1 a N2 nosné konstrukce „N“. Do otvorů bočních stěn jsou umístěny vložky Z1 a Z2. Tyto vložky slouží ke zpevnění bočních stěn a zároveň jako uložení pro kruhovou tyč Z3. Tato tyč průměru 10mm má na obou koncích závity M10 pro zajišťovací matice. Na této tyči je nasunuta dvojice západek Z4 a Z5, které jsou vzájemně spojeny obdélníkovými tyčemi Z6 a Z7, které jsou na západky navařeny. Západky Z4 a Z5 mají drážku, do které zapadá tyč O1 otočného krytu. Pro zamezení volné rotace západek jsou mezi ně a vložky Z1 a Z2 umístěny zkrutné pružiny Z8 a Z9. Tyto mají koncové závity na obou stranách ohnuty o 90° a vsunuty z jedné strany do příslušné západky a ze strany druhé do boční stěny otočného válce.

4. Analýza rozhodujících konstruk č ních prvk ů

4.1. St ř ižný kolík

Pomocí střižného kolíku je spojena vnitřní část dřecího válce s povrchem dřecího válce, na který je navinut pilkový povlak. V případě zvýšení napětí na povrchu dřecího válce nad dovolenou mez je třeba, aby střižný kolík přerušil spojení.

Zvýšené napětí se může na povrchu válce objevit bud poruchou, nebo příliš velkým přítlakem plstěnce. Příliš vysoký přítlak plstěnce by mohl plstěnec vytrhnout z rukou obsluhy.

Dohodou bylo stanoveno maximální dovolené zatížení povrchu válce na 30kg.

Ve skutečnosti bude střižné napětí o něco nižší vzhledem k tomu, že na 30 kg bude prováděn výpočet statického zatěžování, kdežto kolík bude střižen spíše rázem.

4.1.1. Návrh materiálu střižného kolíku

Vzhledem k relativně nízkému střižnému napětí je třeba zvolit materiál, který má nízkou mez pevnosti ve střihu. Dále je nutné splnit rozměrové požadavky, které vzhledem ke geometrii a rozměrům dřecího válce odpovídají průměrům střižného kolíku D = 3 – 5 mm. Také je nutné zajistit dostupnost materiálu v požadovaném průměru na trhu. Tyto požadavky nejlépe splňují plasty. Největším nedostatkem jsou dodávané průměry kruhových tyčí, které značně omezují volbu materiálu.

Jedná se o univerzálně použitelný technický plast. Má velkou pevnost a tvarovou stálost. Mechanické vlastnosti jsou uvedeny v Tab. 1.

Vlastnosti Zkušební metody ISO Hodnoty Jednotky

Hustota 1183 1,39 g/cm3

Mez pevnosti v tahu 527 68 MPa

Průtažnost 527 35 %

Modul pružnosti v tahu 527 3100 MPa

Vrubová houževnatost 179/1eA 7 Kj/m2

tvrdost (Rockwell) 2039 84 M

Tab. 1 – Mechanické vlastnosti POM-C [2]

Firma TRIBON dodává POM-C jako kruhové tyče od průměru 3 mm a v délce 320 mm. [2]

PTFE (Polytetrafluorethylen)

Jedná se o běžně používaný fluorplast. Má dobrou pevnost při vyšších teplotách a pružnost při teplotách nízkých. Mechanické vlastnosti jsou uvedeny v Tab. 2.

Vlastnosti Zkušební metody DIN Hodnoty Jednotky

Hustota 53479 2,2 g/cm3

Mez pevnosti 53455 25 MPa

Průtažnost 53455 300 %

Modul pružnosti v tahu 53457 400-700 MPa

Vrubová houževnatost 53453 16 Kj/m2

tvrdost (Shore) 53505 50-60 D

Tab. 2 – Mechanické vlastnosti PTFE [3]

Firma TRIBON dodává PTFE jako kruhové tyče od průměru 5 mm a v délce 300 mm. [3]

4.1.2. Výpočty

Použité vzorce Veličiny Jednotky

= = ě í ř ℎ [Pa]

= ∙ = ěž í í [N]

= ∙

4 = ℎ ůř [m²]

= (0,6 ÷ 0,8) ∙ )* )* = ě í ℎ [Pa]

= ěž í ℎ [Kg]

= č í , ℎ í [ms^-2]

= ů ě ř ž éℎ . í. [m]

Tab. 3 – Seznam použitých vzorců [7]

POM-C

= /

= /

= 3,031

Pro uvažovanou pevnost ve střihu = 40,8 MPa.

Vypočtenému průměru odpovídá dodávaný průměr D = 3 mm.

PTFE

= /

= /

= 4,998

Pro uvažovanou pevnost ve střihu = 15 MPa.

Vypočtenému průměru odpovídá dodávaný průměr D = 5 mm.

4.1.3. Zhodnocení

Z hlediska pevnostního výpočtu a dodávaných průměrů lze použít jak POM-C, tak PTFE. Oba jsou dostupné od stejného dodavatele ve srovnatelných délkách polotovarů.

Z konstrukčního hlediska je výhodnější PTFE, jelikož není nutné používat

4.2. Oto č ný kryt O

Otočný kryt má velký význam v návrhu tlumičů, jelikož jeho kinetická energie se na ně přenáší. Z tohoto důvodu je třeba minimalizovat jeho hmotnost a určit moment setrvačnosti.

Geometrický 3D model sestavy krytu je známý včetně definic materiálů. Není tedy problém zjistit moment setrvačnosti k rotační ose, jelikož použitý software Autodesk Inventor tuto funkci nabízí. Moment setrvačnosti k ose rotace otočného krytu Iz = 0,002661847 kg.mm²

4.3. D ř ecí válec D

Dřecí válec je uložen na hnací hřídeli a otáčí se otáčkami až n = 3700 min^-1. Je tedy nutné válec co nejlépe staticky i dynamicky vyvážit. S výhodou lze opět využít software Autodesk Inventor.

Souřadnice těžiště dřecího válce jsou T_x = 0 mm, T_y = 0,007 mm, T_z = -0,011 mm.

Minimální odchylky jsou způsobeny střižným kolíkem a drážkou pro pilkový povlak.

Matice setrvačnosti dřecího válce [5]

D = E D

G

∙ H − −

D

G. ∙ H D

G. ∙ H −

D

G. ∙ H D

G. ∙ H D

G. ∙ H L

D = M 8965,172 − −

0 8995,032 −

0,075 0,424 15260,251 P

Deviační momenty jsou velmi malé a není tedy nutné provádět vyvažování.

4.4. Tlumi č e T

Tlumiče musí absorbovat kinetickou energii otočného krytu. Vzhledem ke složitosti mechanismu není možné přesně určit síly, které zde působí. Je nutné zavézt určité předpoklady, se kterými je již možné přibližný výpočet provézt.

Při výpočtu bude předpokládáno, že se veškerá kinetická energie otočného krytu přemění na deformační práci (1), tedy práci potřebnou pro stlačení pružiny ∆x.

Dále se bude předpokládat, že v okamžiku nárazu krytu do tlumičů dojde k přestřižení střižného kolíku a koeficient restituce při nárazu bude volen v 1. případě 1, tedy na tlumič se přenese celková (2) rychlost. V případě 2. Bude volen 0,5, tedy přenesená rychlost bude poloviční (3).

Moment setrvačnosti otočného krytu Ik = 0,002136926 kg.m²

Otáčky dřecího válce nd = 3400 min^-1

Původně byl předpokládán zdvih tlumiče 12 mm. S ohledem na výsledné působící síly a rozměrové požadavky bylo rozhodnuto o zvýšení zdvihu na 24 mm.

4.4.1. Výpočet

Q

=

DS =

∆x => F =

S

=

∙ 2 ∙ 1 =

= 356,047 ] ∙

S

=

∙ 2 ∙ 0,5 =

= 178,024 ] ∙

;

=

3,3 0

= 14060,04a

;b

= = 7030,02a

3,Ab

=

= 1757,51a

Tuhost pružiny by měla při požadovaném stlačení 24 mm a koeficientu restituce 1 ._; = 292,92 a ∙ ^{^;}, a při koeficientu restituce 0,5 ._3,A = 73,23 a ∙ ^{^;}.

4.4.2. Zhodnocení

Bylo rozhodnuto, že v každém tlumiči budou umístěny sériově 2 pružiny s označením TL 0400 x 0200 x 0750. [4] Zbylá energie bude absorbována pryžovou vložkou v tělese tlumiče.

5. Záv ě r

Cílem této bakalářské práce bylo nalezení náhrady za stávající dřecí povrch ze žraločí kůže ve firmě TONAK a.s.

V první části byl proveden rozbor dřecího povrchu ze žraločí kůže. Následoval rozbor 3 zkoušených náhrad, z nichž nejlépe vycházel pilkový povlak. Byly provedeny zkoušky různých pilkových povlaků a byl zvolen nejvhodnější z nich.

V druhé části bylo třeba navrhnout bezpečnostní zařízení, které je při použití pilkového povlaku nutné. Na základě požadavků a provozních podmínek byla navrhnuta soustava bezpečnostních prvků, která v případě přetržení pilkového povlaku ochrání obsluhu stroje. Byly provedeny kontrolní výpočty rozhodujících prvků.

V průběhu návrhu bezpečnostního zařízení bylo navrhnuto řešení odlišné, které je výrazně konstrukčně jednodušší, avšak z časových důvodů nebylo možné se k této bakalářské práci novému způsobu věnovat.

Nahrazení dřecího povrchu bylo úspěšné, lze při nízkých výrobních nákladech využít pro vyčesávání průmyslově vyráběné pilkové povlaky.

Návrh bezpečnostního zařízení lze rovněž považovat za úspěšný, avšak jeho realizace je nejistá vzhledem ke složitosti konstrukce a změně vstupních podmínek ze strany firmy TONAK a.s., které umožnují realizaci řešení odlišného.

6. Seznam použitých zdroj ů

[1] Card Clothing: Spinning. Trutzschler [online]. 2011 [cit. 2012-05-08].

Dostupné z:

http://www.cardclothing.de/fileadmin/images/Downloadbereich/TCC_Spinning_GB.pdf

[2] Běžné plasty: fyzikální vlastnosti a výrobní program. Technické plasty Tribon [online]. 2011 [cit. 2012-05-08]. Dostupné z: http://www.technicke-plasty- tribon.cz/data/documents/bezne-plasty-tabulky.pdf

[3] Technické plasty: Fyzikální vlastnosti a výrobní program. Technické plasty Tribon [online]. 2011 [cit. 2012-05-08]. Dostupné z: http://www.technicke- plasty-tribon.cz/data/documents/technicke-plasty-tabulky.pdf

[4] Tlačné pružiny. UVB TECHNIK [online]. 2012 [cit. 2012-05-08].

Dostupné z: http://www.uvbtechnik.cz/data/files/katalog-tlacnych-pruzin-31.pdf

[5] Dynamika rotorových soustav: 9. Vyvažování rotorů. Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky [online]. 2007 [cit. 2012-05-08]. Dostupné z:

http://www.umt-old.fme.vutbr.cz/~pkrejci/opory/dyn_rot/kapitola_9.html

[6] GlobalProx 3-drát: Kompletní řada indukčních snímačů pro standartní použití. BALLUFF [online]. 2009 [cit. 2012-05-08]. Dostupné z:

http://www.balluff.cz/Download/katalogy/GP3/GlobalProx3_0910_CZ.pdf

[7] Mechanické napětí. Wikipedie [online]. 2012-01-06 [cit. 2012-05-15].

Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Mechanick%C3%A9_nap%C4%9Bt%C3%AD

7. Seznam p ř íloh

Výkres vnitřního prstence [D1]

Výkres příruby [D2]

Výkres příruby [D3]

Výkres vnějšího prstence [D4]

Výkres sestavy dřecího válce

Výkres sestavy bezpečnostního zařízení