Konstrukce ochranného krytu pneumatické brusky

(1)

Konstrukce ochranného krytu pneumatické brusky

Bakalářská práce

Studijní program: B2301 – Strojní inženýrství Studijní obor: 2301R000 – Strojní inženýrství Autor práce: Martin Jíra

Vedoucí práce: doc. Ing. Martin Bílek, Ph.D.

Liberec 2015

(2)

Bachelor thesis

Study programme: B2301 – Mechanical Engineering Study branch: 2301R000 – Mechanical Engineering

Author: Martin Jíra

Supervisor: doc. Ing. Martin Bílek, Ph.D.

Liberec 2015

(3)

(4)

(5)

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vzta- huje 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 pří- padě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vyna- ložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

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

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

(6)

Konstrukce ochranného krytu pneumatické brusky

Anotace

Cílem této práce je navrhnout nový ochranný kryt k pneumatické brusce, který bude vykazovat vyšší tuhost oproti původnímu ochrannému krytu. Dále je zde provedena analýza zatížení ochranného krytu při destrukci řezného kotouče, pevnostní a deformační analýza součásti pro dané způsoby zatížení.

Klíčová slova: pneumatický motor, ochranný kryt, analýza, MKP, konstrukční návrh

Construction of protective cover to pneumatic grinder

Anotation

The aim of this bachelor thesis is to design a new protective shield for a pneumatic grinder, which would exhibit higher rigidity compared to the original shield. The thesis also contains an analysis of strain of the shield during a destruction of a cutting wheel, and a strength and deformational component analysis for the given ways of strain.

Key words: pneumatic engine, protective cover, analysis, FEM, proposal of design

(7)

Poděkování

Rád bych poděkoval zejména svému vedoucímu doc. Ing. Martinu Bílkovi, Ph.D. za odborné vedení, cenné rady a ochotu při zpracování této bakalářské práce. Zvláštní poděkování patří také firmě Deprag CZ a.s. za umožnění vypracování této práce a panu Ing. Michalu Hubálkovi, Ph.D. za poskytnutí cenných informací. Dále bych rád poděkoval mé rodině a všem kdo mě podporovali po celou dobu studia.

(8)

8

Obsah

1 Úvod……….. 9

2 Výhody pneumatických motorů……… 10

3 Oblasti využití pneumatických motorů………. 10

4 Rozdělení pneumatických motorů………... 11

4.1 Zubový pneumatický motor………. 11

4.2 Laminární pneumatický motor………. 13

4.3 Turbínový pneumatický motor……….14

5 Zkouška ochranného krytu brusky……….... 15

6 Metoda konečných prvků………... 16

7 Vlastní řešení úlohy………... 17

7.1 Okrajové podmínky………..17

7.2 Zadání sil……….. 18

7.3 Tvorba sítě………....20

8 Původní ochranný kryt……….. 23

9 Návrh konstrukčních úprav krytu……….. 25

9.1 Úprava krytu – 1……….. 26

9.2 Úprava krytu – 2……….. 27

9.3 Úprava krytu – 3……….. 28

9.4 Úprava krytu – 4……….. 29

9.5 Úprava krytu – 5……….. 30

10 Citlivostní studie……… 31

11 Výsledný upravený ochranný kryt……… 34

12 Závěr………. 37

Přílohy………39

(9)

9

1 Úvod

Úkolem této práce je najít vhodné řešení a úpravu ochranného krytu pro pneumatickou brusku od firmy Deprag. Výsledkem by mělo být několik různých variant ochranného krytu, které budou splňovat bezpečnostní kritéria firmy. Firma si poté vybere jednu variantu, která pro ni bude nejvýhodnější z hlediska výroby a tu použije pro konkrétní typ brusky. Práce se tedy bude zabývat především tvarem součásti a jeho následným úpravám tak, aby se co nejvíce zvýšila pevnost výrobku. Tyto různé varianty budou otestovány v simulačním programu, následně i firmou ve zkušebním zařízení.

V první části této práce je uvedena problematika pneumatických pohonů a ne jen problematika ochranných krytů k pneumatickým bruskám. Neboť v dnešní době můžeme na pneumatické pohony narazit téměř kdekoliv, a to od ručního nářadí až po důlní stroje, různé dopravníky apod. Pod pojmem ruční pneumatické nářadí, využívané především v průmyslovém odvětví, si můžeme představit běžné nářadí, jako jsou brusky, vrtačky, ale i závitořezy, leštičky, kladiva, rázové utahováky, jehlové oklepávače, kleště, nůžky, pily a ostatní. Všechny tyto nástroje využívají jako hnací pohonnou jednotku pneumatický motor.

Na rozdíl od klasických elektromotorů tento typ motoru poskytuje řadu výhod. V této části bude ještě uveden průběh zkoušky ochranných krytů k bruskám a také něco o metodě konečných prvků, která bude využita při řešení.

Další část je věnována samotnému vypracování této práce, kde bude uvedeno několik variant řešení a výkresová dokumentace inovovaného tvaru ochranného krytu.

(10)

10

2 Výhody pneumatických motorů:

- výborný poměr výkonu a hmotnosti při malé zástavbě – umožňuje zástavbu pouze 1/5 rozměru nebo 1/3 konstrukční velikosti elektromotoru při srovnatelném výkonu (pro srovnání - bruska s pneumatickým motorem o maximálním výkonu 2 000 W a hmotností cca 2 kg proti brusce s elektromotorem o výkonu 1 800 W a hmotností cca 6 kg)

- práce v prostředí s nebezpečím výbuchu (doly) – na rozdíl od brusek s elektromotorem zde nedochází k žádnému jiskření

- práce ve znečištěném prostředí zejména prašné a vlhké prostředí - není zde nebezpečí úrazu elektrickým proudem

- robustní, odolná konstrukce pro průmyslové využití - vysoký startovací moment

- nedochází k přehřívání a jsou odolné vůči přetížení – tyto motory jsou velmi odolné vůči teplotám a přehřátí díky přetížení je prakticky vyloučeno

- díky menším rozměrům mají i nižší hmotnost - dlouhá životnost

-nižší hlučnost, kterou lze ještě snížit tlumiči výfuku - efektivita

- spolehlivost

-dále i ergonomičnost, v dnešní době již také podstatné kritérium, zvláště u ručního nářadí, se kterým se pracuje i několik hodin denně [4]

3 Možnosti využití pneumatického ručního nářadí

Tento typ nářadí nalezne využití především v průmyslu a to zejména v odvětvích jako jsou např.:

- slévárny

- nástrojárny, kovovýroba - automobilový průmysl - strojírenství

- stavba ocelových konstrukcí

- stavba železobetonových konstrukcí - výroba lodí

- konstrukce letadel - stavební průmysl - doly, kamenolomy - sochařství

- výroba bílé techniky

- montáž a opravárenské dílny [4]

(11)

11

4 Rozdělení pneumatických motorů

Existují tři základní druhy rotačních pneumatických motorů – zubový, lamelový a turbínový.

4.1 Zubový pneumatický motor

Obr. 4.1.1 Zubový pneumatický motor s přímými zuby [4]

Zubové pneumatické motory jsou z hlediska konstrukce velice jednoduché. Mají jen dva ozubené rotory, které jsou uloženy s nepatrnými čelními a obvodovými vůlemi ve statoru.

Rozlišujeme tři základní typy motorů, a to podle toho, jaký typ ozubení rotory mají, těmi jsou zuby přímé, šikmé nebo šípové.

Motory s přímými nebo šikmými zuby pracují jako plnotlaké a případnou reverzaci otáček řešíme záměnou přívodu a odvodu vzduchu nebo mechanicky ozubeným převodem.

Zatímco motory se šípovými zuby pracují s expanzí vzduchu, změna smyslu otáčení lze provést pouze mechanicky, nejčastěji ozubeným převodem.

Zásadní výhody motorů se zuby šikmými oproti motorům s přímým ozubením jsou menší rozměry při srovnatelném výkonu, velice nízký měrný tlak v zubech a velký stupeň překrytí zubů. Zejména z těchto důvodů pracují tyto motory s menší hlučností a s menší spotřebou vzduchu. Ale v důsledku vzniku axiálních sil v rotorech se šikmým ozubením, musejí být tyto síly zachyceny v ložiskách.

Motory se šípovým ozubením si zanechávají výhod motorů se šikmými zuby, ale oproti nim nevznikají v rotorech axiální síly a mají i vyšší celkovou účinnost. Jednou nevýhodou může být omezení minimálního výkonu při malých rozměrech, jelikož jsou zde větší netěsnosti.

Výhodou všech typů těchto motorů je, že se přiváděný vzduch nemusí nijak přimazávat.

[1][2]

(12)

12

Princip činnosti

Motory s přímými a šikmými zuby pracují na stejném principu. Do motoru je přiváděn stlačený vzduch o tlaku p1 a po vykonané práci je odváděn do výfuku s tlakem p2. Těmto tlakům odpovídají síly F1 a protipůsobící síla F2, které působí na boky zubů. Výsledný krouticí moment je pak dán rozdílem těchto dvou působících sil a poloměrem roztečné kružnice ozubených rotorů. [2]

Obr. 4.1.2 Princip zubového pneumatického motoru s přímými zuby [2]

Jak již bylo zmíněno výše, motory se šípovým ozubením pracují s expanzí vzduchu, a tak jejich činnost je rozdílná od motorů s přímými nebo šikmými zuby. Stlačený vzduch o tlaku p₁ vstupuje ke dvěma rotorům se šikmými zuby, zde vzduch vyplní prostor v zubové mezeře až do místa záběru zubů. Naplňování probíhá, až do té doby, kdy při otáčení následující zub překryje hranu vstupního kanálu. Při dalším otáčení ve zvětšujících se zubových mezerách nastává expanze vzduchu. [2]

Obr. 4.1.2 Princip zubového pneumatického motoru

se šípovými zuby [2]

(13)

13

4.2 Laminární pneumatický motor

Zvaný též křídlový, je z těchto tří typů pneumatických rotačních motorů nejpoužívanější, a to díky jejich velkému rozsahu otáček, všestrannému použití a také díky velkému technickému vývoji v poslední době. Tyto motory jsou konstruovány buď pouze v jednom smyslu otáčení (např. pro brusky) nebo jako reverzační (např. pro vrtačky, utahováky apod.). [2][4]

Obr. 4.2.1 Typy lamelových pneumatických motorů dle směru otáčení [4]

Rotor motorů je ve válci uložen výstředně s excentricitou tak, aby v nejnižším místě, kde přiléhá rotor ke statoru, vznikla jen minimální vůle, kterou utěsní tenká vrstva olejového filmu.

V radiálních drážkách po délce rotoru jsou uloženy volně posuvné lamely, které jsou kolmé k ose hřídele nebo s ní svírají určitý úhel, který zajistí zvětšení činné plochy lamely. Při otáčení rotoru jsou lamely tlačeny odstředivou silou ke stěně válce a rozdělují prostor mezi rotorem a válcem na jednotlivé pracovní komory, které lamely zároveň utěsňují. Pracovních komor vzniká tolik, kolik je použito lamel, běžně se využívá 3 – 6 lamel. Do motoru je přiváděn stlačený vzduch otvorem ve statoru, kterým prochází do prostoru I. a zde působí na činnou plochu lamely. V okamžiku, kdy další lamela překročí vstupní vzduchový otvor, působí na předcházející lamelu pouze tlak expandujícího vzduchu, který je v komoře II. uzavřen. Při otáčení se zvětšují činné plochy lamel a v poloze lamel a a b jsou pak stejně velké a účinek expandujícího vzduchu zaniká. [1][2][3]

Obr. 4.2.2 Princip lamelového pneumatického motoru [3]

(14)

14

4.3 Turbínový pneumatický motor

U turbínového pohonu se ještě výrazněji projeví výhody vysokého využití výstupního výkonu při malé hmotnosti. Tyto motory mohou dosahovat otáček až 450 000 min^-1.

Obr. 4.2.2 Princip turbínového pneumatického motoru [4]

V parciálním ostřiku probíhá přeměna velkého dílu obsažené tlakové energie na energii kinetickou, tzn. tlak je silně redukován a proudí na první oběžné kolo nadzvukovou rychlostí.

V prvním oběžném kole se přemění směr proudu vzduchu a předaná energie se mění na rotační pohyb. Vzduch je dále směrován do rozváděcího kola, kde se opět mění jeho směr pro působení energie po směru otáčení prvního oběžného kola, a průchodem druhým oběžným kolem dojde k přeměně zbytkové energie na krouticí moment. Tento princip byl poprvé použit u pneumatického nářadí a zaručuje vysokou efektivitu a výkon velkým počtem otáček.

Charakteristika výkonu odpovídá lamelovým motorům. Na rozdíl od lamelových motorů je možný provoz bez oleje, neboť oproti lamelovému motoru nedochází v pracovním prostoru k žádnému tření. [4]

(15)

15

5 Zkouška ochranného krytu brusky

Pneumatické brusky díky tomu, že dosahují vysokých otáček, patří mezi velice nebezpečné ruční nářadí. I přes řadu bezpečnostních a ochranných prvků, jako jsou například bezpečnostní spouštění, ochranný kryt, regulátor otáček atd., se provádí řada bezpečnostních zkoušek, mezi které patří i zkouška ochranného krytu brusky. Jedním tímto zkušebním zařízením disponuje i firma Deprag a.s.

Tato zkouška se provádí za předpokladu, že selžou veškeré bezpečnostní prvky brusky (především regulátor otáček) nebo je nějak poškozen kotouč. Tyto důvody by mohly vést k destrukci kotouče, který by mohl vážně ohrozit obsluhu brusky, kdyby nebyl ochranný kryt dostatečně tuhý. Například při poškození regulátoru otáček by se bruska roztočila na nejvyšší možné otáčky, které dovolí motor při určitém pracovním tlaku, ale na tyto otáčky nejsou brusné či řezné kotouče stavěny, a mohlo by to vést k jejich prasknutí.

V první fázi zkoušky je nejprve třeba naříznout kotouč na tři stejné části, což je také uvedeno v níže specifikované normě. Řezy by měly zasahovat zhruba do jedné poloviny průměru kotouče, ovšem tuto hloubku je možné měnit dle potřeby. Těmito zářezy se simuluje poškození kotouče, protože za normálních podmínek k destrukci kotouče nedojde.

Takto upravený kotouč se spolu s příslušným typem krytu upne do zkušebního zařízení, které je bezpečně uzavřeno a je opatřeno průhledným sklem, kterým je možno celou zkoušku pozorovat. Zde se kotouč roztočí na nejvyšší možné otáčky, které pneumatický motor dovoluje a čeká se, kdy dojde k jeho destrukci. Celý tento proces se zaznamenává vysokorychlostní kamerou, a z tohoto záznamu se poté určuje, zda daný kryt ve zkoušce uspěl či nikoliv.

Zásadní kritérium pro úspěšnost zkoušky je, aby větší kusy odletujícího kotouče po jeho destrukci nesměřovaly nad horní polovinu krytu tak, aby neohrožovaly obsluhu brusky, a aby se ochranný kryt výrazně nepootočil kolem osy rotace tak, aby zase větší odletující kusy kotouče neohrozily obsluhu stroje.

Pokud jsou všechny tyto podmínky splněny, dle stanovené normy ČSN EN ISO 11 148 - 7, je ochranný kryt považován za bezpečný a může být uveden do výroby.

(16)

16

6 Metoda konečných prvků – MKP (Finite element method – FEM)

Jelikož při řešení, zejména při realizaci veškerých analýz, bylo využito metody konečných prvků, uvedl bych zde několik zmínek o této metodě.

Metoda konečných prvků je základní inženýrskou metodou pro řešení průběhu napětí nebo míry deformace na součásti při zatížení určitou silou. Původně byla tato metoda vyvinuta pro mechaniku kontinua, poté pro mechaniku tekutin a nakonec pro celou řadu fyzikálních jevů.

Výhodou je, že umožňuje vzájemnou interakci polí a tuto metodu můžeme použít i pro simulaci technologických procesů.

Rozšíření metody konečných prvků umožnily:

-rozvoj popisu matematických prvků -rozvoj a dostupnost výpočetní techniky -komerčně nabízené software pro simulaci -obecnost metody

Uživatel využívající tuto metodu by měl dodržovat základní zásady tvorby výpočtového modelu, jejichž cílem je vytvoření efektivního výpočtového modelu. Pojmem efektivní model rozumíme model, který splňuje určitý kompromis mezi složitostí modelu a cenou za dosažené výsledky.

(17)

17

7 Vlastní řešení úlohy

Celková sestava, které se týkají následující výpočty, se skládá ze dvou součástí - z příruby a ochranného krytu, který je k přírubě přivařen. Příruba má dostatečnou tuhost, proto se tato práce zabývá jen úpravou samotného ochranného krytu. Cílem této práce má být úprava původního ochranného krytu za nový tvar krytu, který má zajišťovat vysokou tuhost při daném zatížení při zachování nízké hmotnosti. Na základě konzultací se zadavatelem práce byla zvolena statická analýza součásti. Dále je úloha rozdělena na dvě samostatné podúlohy, které umožní analyzovat jednotlivé typy zatížení. Veškeré modely, analýzy a výkresová dokumentace byly vytvořeny v programu PTC Creo 2.0 – AV ENGINEERING a.s.

7.1 Okrajové podmínky

Ještě před zavedením sil bylo potřeba zavést okrajové podmínky. Díky speciálnímu upínání ochranného krytu (resp. příruby) k brusce, bylo v simulačním programu nutné zavést nový lokální válcový souřadnicový systém. Díky tomuto souř. systému se zamezilo axiálnímu pohybu součástí. K zamezení rotace součástí slouží u brusky kolík, který zapadne do jednoho z mnoha otvorů v přírubě. V simulačním programu byly jednomu otvoru odebrány všechny stupně volnosti, což zamezilo rotaci ochranného krytu (a příruby).

Obr. 7.1.1 Okrajová podmínka

zabraňující axiálnímu pohybu

Obr. 7.1.2 Okrajová podmínka zabraňující rotaci

Obr. 7.1.3 Kombinace okrajových podmínek

(18)

18

7.2 Zadání sil

Jelikož je úloha řešena jako statická, prvotní síla, která působí na ochranný kryt, byla počítána jako odstředivá síla jedné třetiny kotouče, působící v těžišti této části. Byla počítána ze vztahu FS = m.r1.ω², kde

m = ²⁶⁵₃ .10^-3 [kg]………..hmotnost jedné třetiny kotouče

r1 = 4,2145.10^-2 [m]……….. poloměr těžiště jedné třetiny kotouče 𝜔 =^2.𝜋.𝑛₆₀ [rad^-1]………úhlová rychlost kotouče

n = 13 300 [min^-1] ………maximální otáčky kotouče

Po dosazení těchto hodnot do základní rovnice vyšla síla F_S = 7 221,56 [N]. Z tečné složky této síly byl vypočítán příslušný třecí moment, podle vztahu MS = T.r2, kde

r₂ = 8,3.10^-2 [m]……… vnitřní poloměr ochranného krytu T = f.N [N]………tečná složka zatěžující síly

f = 0,9 [-]……….. součinitel tření mezi kotoučem a krytem N = 7 221,56 [N]……….. normálová složka zatěžující síly

Po opětovném dosazení do příslušné rovnice vyšel skutečný třecí moment MS = 539,5 [Nm].

_𝑆

Toto nahrazení sil bylo možno provést, neboť nás zajímá, jak se změní celková tuhost ochranného krytu po jeho různých úpravách, a nezajímají nás reálné hodnoty deformací a napětí.

Při řešení veškerých analýz součástí působí tyto zatížení jednotlivě (nikdy při průběhu analýzy nejsou zatížení řešena vzájemně), protože při destrukci kotouče dochází nejprve k nárazu části kotouče do krytu a teprve poté se začne smýkat po vnitřním obvodu krytu.

(19)

19

V první podúloze je prvotní náraz destruovaného kotouče nahrazen silou, která působí v 15°

výseči ochranného krytu. Takovéto nahrazení odpovídá extrémnímu případu, kdy celá třetina kotouče narazí do krajní hrany ochranného krytu.

Druhé nahrazení se týká třecího momentu, který vzniká po destrukci kotouče a působí na vnitřním obvodu ochranného krytu. Jedná se opět o extrémní případ, kdyby se po celou dobu a po celém obvodě třel největší kus zničeného kotouče.

Obr. 7.2 Schématické zatížení ochranného krytu

(20)

20

7.3 Tvorba sítě

Kvůli správné tvorbě sítě musela být upravena, resp. zjednodušena, původní celková sestava.

U ochranného krytu i příruby musely být odebrány nebo zjednodušeny některé tvarové části – konkrétně u příruby důlky na vrchní ploše a špičky od vrtáku v otvorech pro zajištění byly zcela odebrány. Naopak musel být vytvořen vhodný rádius na vnitřních hranách, protože zde docházelo k nárůstu napětí. Důležité je, že veškeré tyto úpravy nijak nezměnily tuhost součástí.

Obr 7.3.1 Původní ochranný kryt s

přírubou

Obr 7.3.2 Zjednodušený ochranný kryt s přírubou

Obr 7.3.3 Původní ochranný kryt bez rádiusu

Obr 7.3.3 Upravený ochranný kryt s rádiusem

R 0,5

(21)

21

Dále bylo potřeba provést zahuštění sítě, protože původní síť, kterou můžeme vidět na obrázku 7.3.1, neposkytovala patřičně hodnotné výsledky, počet vytvořených elementů se pohyboval okolo 4 000. U nové sítě, obr. 7.3.2, byl nastaven maximální rozměr elementu (funkce „maximum element size“) na 5 mm, což vedlo ke zhuštění sítě a vyššímu počtu vygenerovaných elementů, který se pohyboval od 13 000 do 14 000 (až na několik výjimek, kde kvůli změněné geometrii vyrostl tento počet až na cca 30 000). Tento vyšší počet elementů měl však za následek delší dobu výpočtů, proto se další zahušťování již neprovádělo (to by mělo za následek jen delší dobu výpočtů, bez znatelného přínosu na výsledcích). Takto vytvořená sít nadále poskytla z matematického hlediska velmi kvalitní výsledky. Veškerá tvorba sítí byla automaticky vygenerována, protože software neumožňuje přímou generaci sítě a pro takto geometricky složitou součást, by byla přímá tvorba sítě velice náročná.

Obr. 7.3.1 Původní síť konečných prvků

Obr. 7.3.2 Zahuštěná síť konečných prvků

(22)

22

Veškeré tyto činnosti spojené s tvorbou výpočtového modelu jako je - tvorba geometrie, tvorba sítě konečných prvků, definování vlastností výpočtového modelu (materiál, okrajové podmínky, počáteční podmínky, zatížení, typ prvku), přiřazení vlastností modelu, eliminace chyb a tvorba výstupního souboru pro řešič, spadají do tzv. preprocessingu, což je jeden ze tří kroků průběhu řešení úlohy MKP.

Dalším tímto krokem je processing, nebo-li vlastní řešení. Zde dochází k sestavení soustavy algebraických rovnic a jejich následnému řešení. Tento krok je plně řešen simulačním programem a uživatel nemá možnost do tohoto kroku nikterak zasáhnout.

Posledním krokem při průběhu řešení úlohy MKP je postprocessing, kde jsou řešeny všechny činnosti související s interpretací výsledku, tzn. sestavení výsledku v požadované struktuře, zobrazení výsledku pomocí grafických polí, případná animace výsledků apod. A tímto se bude dále zabývat další část této práce.

(23)

23

8 Původní ochranný kryt

Po všech výše popsaných úpravách mohl být ochranný kryt podroben analýzám simulující skutečné zatížení při destrukci kotouče. Jak již bylo zmíněno, kryt je namáhán dvojím zatížením, a to silou a třecím momentem. Pro každé toto namáhání byla provedena samostatná analýza a sledovalo se zde maximální způsobené posunutí a napětí. Tyto hodnoty byly zapsány do tabulky 8 a dále sloužily jako porovnávací hodnoty k následným úpravám ochranného krytu. Obrázky 8.1 a 8.2 jsou výsledkem analýzy po zatížení součástí silou a ukazují nám charakteristické oblasti posunutí (obr. 8.1) a napětí (obr. 8.2). Zatímco obrázky 8.3 a 8.4, na kterých jsou opět příznačné oblasti posunutí (obr. 8.3) a napětí (obr. 8.4), jsou výsledkem analýzy po zatížení ochranného krytu třecím momentem.

Obr. 8.1 Průběh posunutí při zatížení silou Obr. 8.2 Průběh napětí při zatížení silou

Obr. 8.3 Průběh posunutí při

zatížení momentem Obr. 8.4 Průběh napětí při

zatížení momentem

(24)

24

Z tabulky 8 pozorujeme, že maximální napětí v krytu při zatížení silou, tak při zatížení momentem je přibližně stejné, na rozdíl od maximálního posunutí, kde je rozdíl při způsobu namáhání cca 72 %. Proto se další úpravy krytu budou především zabývat snížením maximálního posunutí při zatížení silou, protože právě toto posunutí může nejvíce ohrozit obsluhu stroje odlétávajícím kusem kotouče, který by mohl díky tomuto velkému posunutí nebezpečně opustit prostor krytu směrem k obsluze.

Způsob zatížení Max. sledované hodnoty Silou

posunutí [ mm ] 1,245

napětí [MPa ] 528

Momentem

posunutí [ mm ] 0,345 napětí [MPa ] 509 Tab. 8 Tabulka výchozích hodnot původního ochranného krytu

(25)

25

9 Návrh konstrukčních úprav krytu

Další stránky této práce se budou věnovat několika úpravám původního ochranného krytu.

Jelikož jsou ochranné kryty vytvářeny různými technologiemi jako například lisováním, odléváním, ale nejčastěji soustružením, umožňuje nám to řadu úprav. Úpravy jsou navrženy tak, aby byly z hlediska technologické výroby co nejjednodušší a bylo použito co nejméně přidaného materiálu.

U každé úpravy je uveden stručný popis, čeho se daná změna týká, doplněný příslušným obrázkem, dále je zde tabulka obsahující sledované hodnoty a procentuální změnu, vůči počátečním hodnotám původního ochranného krytu - jakýkoliv pokles hodnot (buď posunutí, nebo napětí) je podbarven zeleně a naopak každý nárůst hodnot je podbarven červeně.

Poté v této části budou uvedeny i citlivostní studie. Tyto studie se vždy týkají určité analýzy a přinášejí nám širší rozhled o použití této dané analýzy, jako například vhodnou volbu tloušťky použitého materiálu apod.

Na základě těchto analýz a studií bude vybrána vhodná kombinace úprav a bude vyhotoven nový bezpečnostní ochranný kryt pro pneumatickou brusku.

V příloze jsou pak zobrazeny výsledky všech příslušných analýz a výkresová dokumentace nového krytu.

(26)

26

9.1 Úprava ochranného krytu – 1

Tato úprava se týká přidaného materiálu v části, kde působí prvotní síla od destruovaného kotouče. Jedná se o 10° výseč, tloušťky 2 mm, která je přivařena k původnímu ochrannému krytu.

Obr. 9.1 Upravený ochranný kryt – 1

Z tabulky 9.1 je patrné, že tato úprava i přes to, že je přidáno jen velice málo materiálu, nám poskytuje výrazné zlepšení a to především při zatížení silou. U zatížení momentem tak výrazné zlepšení neshledáváme, ale velikost maximálního posunutí je stále o zhruba 60 % nižší než při zatížení silou. Touto úpravou se budou nadále zabývat citlivostní studie, a to změnou tloušťky a následně i úhlu přidaného materiálu.

Způsob zatížení Max. sledované hodnoty

zlepšení\zhoršení oproti původnímu

krytu [ % ]

Silou

posunutí [ mm ] 0,79568 36

napětí [MPa ] 318 40

Momentem

posunutí [ mm ] 0,32274 6,5

napětí [MPa ] 488 4,1

Tab. 9.1 Tabulka hodnot upraveného krytu

(27)

27

9.2 Úprava ochranného krytu – 2

V této úpravě je vytvořen prolis (případně vysoustružení) v horní části ochranného krytu.

Prolis je po celém obvodu, je 8 mm široký a 0,7 mm hluboký.

Tato úprava, jak si můžeme všimnout z hodnot v tabulce 9.2, nám nepřinesla žádné zlepšení v jakémkoliv ohledu. Takto zvolený prolis (vysoustružení) nám celkovou situaci jen zhoršil, proto s touto úpravou nebude již nadále pracováno.

Způsob zatížení Max. sledované hodnoty

krytu [ % ]

Silou

posunutí [ mm ] 1,3014 -4,5

napětí [MPa ] 975 -84,7

Momentem

posunutí [ mm ] 0,3627 -5

napětí [MPa ] 597 -17,3

(28)

28

10.1 Změna tloušťky materiálu krytu u původního krytu

Tato citlivostní studie se týká změny tloušťky materiálu u původního ochranného krytu.

Tloušťka materiálu byla měněna z 1,5 mm po 0,1 mm na výsledných 2,5 mm a sledovala se zde maximální změna posunutí v závislosti na způsobu zatížení (změněn byl pouze druh zatížení, ne však velikost). Jak lze vidět na grafu 10.1, změna posunutí při zatížení silou je z hodnoty 1,5 mm na hodnotu až 2,1 mm velice výrazná (pokles posunutí o necelých 60%), dále při navyšování tloušťky krytu, tím i zvyšování celkové hmotnosti, již změna není příliš významná (pokles posunutí o pouhých cca 30%), proto se již od 2 mm nevyplácí pokračovat s přidáváním materiálu. Při zatížení momentem se neprojevuje tak výrazná změna v tuhosti součásti.

Graf 10.1 Citlivostní studie původního krytu

(32)

32

10.2 Změna tloušťky přidaného materiálu u úpravy krytu – 1

Zde se tato citlivostní studie zabývá změnou maximálního posunutí v závislosti na tloušťce přidaného materiálu u upraveného krytu – 1.

Z obrázku 10.2 je vidět, že se jedná o 20°

výseč přidaného materiálu a tloušťka materiálu se pohybuje od 1,5 mm do 2,5 mm. Krok, s kterým se tato studie pohybuje, je 0,1 mm, jak lze vidět na grafu 10.2. Dále je z grafu patrné, že tloušťka přidaného materiálu nezáleží na maximálním posunutí při zatížení momentem. Při zatížení silou pozorujeme mírné zlepšení v případě, že navyšujeme tloušťku přidaného materiálu.

Graf 10.2 Citlivostní studie upraveného krytu Obr. 10.2 Změna tloušťky přid. mat. u úpravy

krytu - 1

(33)

33

10.3 Změna úhlu přidaného materiálu u úpravy krytu – 1

U této studie je v závislosti maximální posunutí na úhlu přidaného materiálu, který se pohybuje v rozmezí 10° - 30°

s 5° krokem (lze vidět na obr. 10.3).

Celá tato studie se opět týká upraveného krytu – 1. Z grafu 10.3 lze pozorovat, že při zatížení krytu momentem je průběh tohoto zatížení téměř konstantní, proto změna úhlu nemá vliv na výsledné posunutí při tomto způsobu namáhání. Při zatížení krytu silou má žádoucí účinek změna úhlu pouze do 25°, po této hodnotě je zlepšení jen minimální.

Graf 10.3 Citlivostní studie upraveného krytu Obr. 10.3 Změna úhlu přid. mat. u

úpravy krytu - 1

(34)

34

11 Výsledný ochranný kryt

Tato výsledná úprava kombinuje předešlé dvě, a to i s přihlédnutím na výsledky z citlivostních analýz. Jedná se konkrétně o sjednocení úpravy – 1 a úpravy – 4, s drobnými změnami rozměrů. Jak lze vidět na obrázku 11 jedná se o 2 mm přidaný materiál po vnějším obvodu ochranného krytu a přidanou 20° výseč (též 2 mm) v části, kde působí prvotní zatížení silou.

U této výsledné úpravy pozorujeme výrazné zlepšení především u maximálního posunutí při zatížení silou, které dosahuje hodnoty přes 50 %. Zřetelné je i zlepšení při snížení napětí při zatížení krytu silou, které dosahuje necelých 40 %, méně zjevné, ale přeci stále významné, je zlepšení u posunutí při zatížení momentem. Jediné zhoršení se projevilo u maximálního napětí při zatížení momentem, ale není natolik závažné, aby ohrozilo obsluhu stroje.

Způsob zatížení Max. sledované hodnoty

krytu [ % ]

Silou

posunutí [ mm ] 0,6044 51,5

napětí [MPa ] 331 37,3

Momentem

posunutí [ mm ] 0,28113 18,5

napětí [MPa ] 584 -14,7

Tab. 11 Tabulka hodnot výsledného krytu Obr. 11 Výsledný ochranný kryt

(35)

35

Výsledky analýz pro výsledný kryt

Obr. 11.1 Průběh posunutí při zatížení silou

Obr. 11.2 Průběh napětí při zatížení silou

∆ [mm]

σ

^[MPa]

(36)

36 Obr. 11.3 Průběh posunutí při zatížení momentem

Obr. 13.1 Průběh napětí při zatížení momentem

∆ [mm]

σ

^[MPa]

(37)

37

12 Závěr

V práci byla provedena úprava ochranného krytu pneumatické brusky, kde základním procesem pro tuto úpravu bylo navýšení tuhosti ochranného krytu při jeho nejhorším způsobu zatížení při destrukci brusného kotouče.

Celkem bylo navrženo pět úprav konstrukce krytu, které byly následně podrobeny analýzám zatížení, z kterých byly vyhodnoceny závěry o míře zlepšení, případně zhoršení. Pro tyto analýzy změn tuhostí součástí při změně konstrukce bylo využito MKP v programu PTC Creo 2.0 – AV ENGINEERING a.s. Některé navržené úpravy přinesly příznivé zlepšení u

sledovaných hodnot (posunutí a napětí), některé ovšem nikoliv. Ale i tyto úpravy, které spěly ke zhoršení celkové tuhosti krytu, byly prospěšné, neboť z jejich výsledků víme, že nejsou vhodné pro uvedení do výroby.

Sloučením některých navržených úprav ochranného krytu a s přihlédnutím k výsledkům citlivostních studií byl vytvořen nový ochranný kryt, který vykazuje zjevné zlepšení celkové tuhosti této součásti. Tento výsledný konstrukční návrh zajišťuje snížení deformace při zatížení silou o 51,5% a při zatížení momentem o 18,5%, pokles napětí při zatížení silou dosáhl 37,3%, ale naopak při zatížení momentem vzrostlo napětí o 14,7%. Nejdůležitějším aspektem pro vyhovující kryt byla ovšem snížená hodnota maximálního posunutí při zatížení silou.

Výsledky analýz prokázaly u všech testovaných úprav téměř shodný charakter napětí i posunutí, jen hodnoty se lišily, ale ty nemusejí vždy odpovídat reálným hodnotám, především u napětí, protože mohlo docházet ke koncentraci napětí v přechodových částech geometrie, které nebyly odstraněny nebo upraveny. Proto je vždy nutné navržený kryt testovat ve zkušebním zařízení, které nám poskytne reálné výsledky.

(38)

38 Seznam použité literatury

[1] Dietmar Schmid a kolektiv: Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku, český překlad 9. německého vydání, 1. vyd., Praha, Europa-Sobotáles cz s.r.o., 2005, 420 s.

ISBN 80-86706-10-9

[2] A. Liška, J. Kroupa, V. Novotný: Údržba a opravy pneumatických strojů, nástrojů a přístrojů, 1. vyd., Praha, Státní nakladatelství technické literatury, 1964, 296 s. 04-245- 64

[3] Josef Cerha: Hydraulické a pneumatické mechanismy II., 1. vyd., Liberec, Technická univerzita v Liberci, 2008, ISBN 978-80-7372-297-5

[4] [Online]

<http://www.deprag.cz/files/products/ostatni_dokumenty/Vyhody%20pneu_cz.pdf>

[5] Lubomír Pešík: Části strojů, díl 2, 2. vyd., Liberec, Technická univerzita v Liberci, 2005, ISBN 80-7083-608-3

[6] F. Boháček a kol.: Části a mechanismy strojů III., Převody, Brno, Vysoké učení technické, 1982

[7] K. Juliš, R. Brepta: Mechanika I. díl, Statika a kinematika, Technický průvodce 65, SNTL Praha 1968

[8] V. Brát, J. Rosenberg, V. Jáč: Kinematika, SNTL/ALNFA Praha 1987

(39)

39

Přílohy

Výsledky analýz pro jednotlivé úpravy

Výkresová dokumentace inovovaného tvaru ochranného krytu

(40)

40 Obr. U1.1 Průběh posunutí při zatížení silou

Obr. U1.2 Průběh napětí při zatížení silou

∆ [mm]

σ

^[MPa]

(41)

B

2 3

C

D

E

F

A

B

C

D

E

F

4 5 6 7 8

1 2 3 4 5 6 7 8

a)

Novy vykr.

Stary vykr.

C.sestavy C.seznamu Meritko

Datum Schvalil Normaliz.

Technolog Prezkousel Kreslil Navrhl

Datum Pozn.

Zmena Index Podpisy

Rozm.-Polot.

b) c)

TU v Liberci

Typ

Cis.vykresu Nazev

List PROMITANI

TOLEROVANI ISO 8015 PRESNOST

Tr. odp.

Hr. hm.

Mater.

C. hm. kg kg

30

27,5

+0,1 -0,1

3.2 2

96

160_-0,5⁰ 170

166 0,3

0.01 A

160^+0,5-0,5

R5 8

2 R5

77,4⁰-0,5

0.01 A 18

7x21

8x 8

9,5

3.2

( )

A

- TR KR 175 X 55 - 35 ISO 2768-mK 11 373 001

1:1

^Jíra

KRYT_OCHRANNY

- 02-07-2015

001

(51)

1

A

B

2 3

C

D

E

F

A

B

C

D

E

F

4 5 6 7 8

1 2 3 4 5 6 7 8

a)

Novy vykr.

Stary vykr.

Datum Pozn.

Zmena Index Podpisy

Rozm.-Polot.

b) c)

TU v Liberci

Typ

Cis.vykresu Nazev

List PROMITANI

Tr. odp.

Hr. hm.

Mater.

C. hm. kg kg

2

110^+0,3-0,3

170^+0,5-0,5

0.01 A 174

164^+0,7+0,6

R7

(R9)

(R9) (4,7)

29,5 30

+0,2 0

3.2

R7

3.2

( )

A

- TR KR 180 X 40 - 35 ISO 2768-mK 11 373 001

1:1

^Jíra

NAVAREK_POLOTOVAR

- 02-07-2015

002

(52)

1 2 3 4

A

B

C

D

E

F F

E D C B A

1 2 3 4

a)

Novy vykr.

Stary vykr.

Datum Pozn.

Zmena Index Podpisy

Rozm.-Polot.

b) c)

TU v Liberci

Typ

Cis.vykresu Nazev

List PROMITANI

Tr. odp.

Hr. hm.

Mater.

C. hm. kg kg

20

0 -0,5

3.2 3.2

3.2

( )

- VYROBENO Z DILU 002 ISO 2768-mK 11 373 001

1:1

^Jíra

NAVAREK

- 02-07-2015

003

(53)

1

A

B

2 3

C

D

E

F

A

B

C

D

E

F

4 5 6 7 8

1 2 3 4 5 6 7 8

Novy vykr.

Stary vykr.

Datum Pozn.

Zmena Index Podpisy

TU v Liberci

Typ

Cis.vykresu Nazev

List

2

1:1

^Jíra

KRYT_VYSLEDNY 004

02-07-2015

ODK. VYKRES MATERIAL POZNAMKA JED.

OZNACENI POLOTOVAR CIS. ZASOBNIKU MN.

1 001 11 373 - ks.

KRYT_OCHRANNY TR KR 175 X 55 - 35 - 1

2 003 11 373 - ks.

NAVAREK VYROBENO Z DILU 002 - 1

1

2