MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR SZERSZÁMGÉPÉSZETI ÉS MECHATRONIKAI INTÉZET Szerszámgépek Intézeti Tanszéke 3515 Miskolc-Egyetemváros
DIPLOMAMUNKA Feladat címe: Hidrosztatikus vezetékelem tervezése szerszámgépekhez
Készítette:
GOLITKÓ LÁSZLÓ MsC szintű, gépészmérnök szakos CAD/CAM szakirányos hallgató
Tervezésvezető: DR BARNA BALÁZS egyetemi docens Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke
Konzulens: DR. TAKÁCS GYÖRGY egyetemi docens Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke
2016. december 09.
DIPLOMAMUNKA GESGT043M
GOLITKÓ LÁSZLÓ WIE9M0 Gépészmérnöki mesterszak, CAD/CAM szakirány
A FELADAT TÁRGYKÖRE: A FELADAT CÍME:
Konstrukciós tervezés Hidrosztatikus vezeték tervezése
A FELADAT RÉSZLETEZÉSE: Tanulmányozza a szerszámgépekben alkalmazott vezetékrendszereket, különös tekintettel a hidraulikus vezetékrendszerekre. Végezzen irodalom- és szabadalomkutatást a hidrosztatikus vezetékek kialakítására vonatkozó adatokról. Készítsen koncepcionális terveket és megvalósíthatósági elemzéseket a hidrosztatikus vezetékek megvalósítására. Dolgozzon ki javaslatokat különböző koncepciók megvalósítására. Értékelemzéssel válaszszak ki a javasolt koncepciót, a kiválasztás és értékelés során alkalmazza a tervezésmódszertani eszközöket. A méretezésekhez végezzen mérnöki számításokat.
TERVEZÉSVEZETŐ:
Név:
Dr. Takács György egyetemi docens
KONZULENS:
Név:
Dr. Barna Balázs tanszéki mérnök
VÁLLALAT ADATAI: (KÜLSŐ TÉMA ESETÉN)
Neve: Címe:
Miskolci Egyetem Szerszámgépek Intézeti Tanszéke
A FELADAT KIADÁSÁNAK IDŐPONTJA: A FELADAT BEADÁSÁNAK HATÁRIDEJE:
2016.02.19. 2016.05.13.
Dr. Hegedűs György tárgyjegyző
2
3
EREDETISÉGI NYILATKOZAT
Alulírott Golitkó László; Neptun-kód: WIE9M0 a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős gépészmérnök szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy Hidrosztatikus vezetékelem tervezése szerszámgépekhez című szakdolgozatom/diplomatervem saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt. Tudomásul veszem, hogy szakdolgozat esetén plágiumnak számít: szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy -
plágium esetén szakdolgozatom visszautasításra kerül.
Miskolc, 2016. év december hó 09. nap
…….……………………………….… Hallgató
4
Tartalomjegyzék 1. Abstract ................................................................................................................................... 8 2. Bevezetés ................................................................................................................................ 9 2.1 Csúszó vezetékek[3]......................................................................................................... 11 2.2 Gördülő vezetékek .......................................................................................................... 13 2.3 Hidrosztatikus vezetékek[7] ............................................................................................. 14 2.3.1
A hidrosztatikus vezeték működése [10] .............................................................. 17
3. A piacon elérhető megoldások ............................................................................................. 19 3.1 Zollern ............................................................................................................................ 19 3.2 Schaeffler ........................................................................................................................ 20 3.3 TAC Rockford ................................................................................................................ 21 4. Szabadalomkutatás ............................................................................................................... 23 4.1 US3355990A szabadalom .............................................................................................. 23 4.2 US 20140112603 szabadalom ..................................................................................... 24 4.3 US 20100067834 szabadalom ........................................................................................ 26 4.4 US 7101080 szabadalom ................................................................................................ 28 5. A hidrosztatikus vezeték méretezésének ismertetése[21]....................................................... 29 5.1 Geometriai méretek, működési jellemzők meghatározása ............................................. 29 5.2 A hidrosztatikus csapágyak szabályozása ...................................................................... 32 5.3 Kenőanyagjellemzők meghatározása ............................................................................. 35 5.4 A csapágy hőmérsékleti viszonyai ................................................................................. 36 5.5 Egymással szemben lévő hordozófelületekkel rendelkező kialakítás ............................ 38 6. A hidrosztatikus vezeték méretezése .................................................................................... 41 7. A szerszámgép hidrosztatikus vezetékének megtervezése ................................................... 45 7.1 A módosítandó szerszámgép bemutatása ....................................................................... 45 7.2 A hidrosztatikus vezeték követelményrendszerének meghatározása [28] ........................ 46 7.3 A lehetséges megoldásváltozatok ismertetése ................................................................ 47 7.4 Az ismertetett változatok műszaki értékelemzése .......................................................... 51 7.5 A kiválasztott megoldás méretezése ............................................................................... 52 7.6 A modell elkészítése ....................................................................................................... 58 8. Összefoglalás ........................................................................................................................ 59 9. Irodalomjegyzék ................................................................................................................... 60
5
A számítások során alkalmazott jelölések F
[N]
külső terhelő erő
p
[bar]
nyomás
pk
[bar]
kamranyomás
psz
[Pa]
a szivattyú nyomása
A
[mm2]
a csapágypárna felülete
At
[mm2]
a tömítőperem felülete
Ata
[m2]
kenőanyagtartály hőleadó felülete
Q
[liter/perc]
folyadékszükséglet
Qó
[liter/óra]
óránként átáramló folyadékmennyiség
h
[mm]
résméret
U
[cm/s]
csúszási sebesség
α
[kcal/m2 °C] hőátadási tényező
τ
[N/mm2]
kenőfilm nyírási ellenállása
c
[J/kg°C]
a kenőanyag fajhője
ρ
[g/cm3]
sűrűség
η
[Pas]
dinamikai viszkozitás
ϑ
[mm2/s]
kinematikai viszkozitás
S
[N/m]
a rendszer merevsége
km
[cm4/kgsec]
mérőperem állandó
L
[cm]
a párna legnagyobb mérete
tt
[°C]
kenőanyagtartály hőmérséklete
tk
[°C]
nyomókamrába lépő olaj hőmérséklete
t0
[°C]
környezeti hőmérséklet
tki
[°C]
csapágyból kilépő olaj hőmérséklete
th
[°C]
csapágyrés átlagos hőmérséklete
d0
[mm]
a kapilláris átmérője
l0
[mm]
a kapilláris hossza
6
Dimenziótlan tényezők af
terhelési tényező
qf
folyadékmennyiség tényező
Ra
átlagos felületi érdesség
β
nyomásviszony
′ 𝜂𝑠𝑧
szivattyú mechanikai hatásfoka
kh
résméret állandó
kP
szivattyúteljesítmény állandó
kQ
folyadékmennyiség állandó
ks
merevség állandó
cm
mérőperem áramlási tényező
N
csapágypárnák száma
7
1. ABSTRACT In my thesis I studied the possible solutions used as guides in machine tools. My job was to dimension and design a hydrostatic guide, which can be used in machine tools. So I studied the advantages and disadvantages of these guides. I studied a few available patterns in the internet to get to know the actual solutions used in the industry in the past and today. Thanks to Dr. Mihaly Kozma book about sizing hydrostatic guides, Because the sizing is long but it can be automatized easily, I wrote a simple Mathlab script to be able to try out different solution quickly. I sketched a few possible shapes for guide, and with technical value analysis I choosed the most suitable for my requirements. After I choose the best solution, I was able to succesfully dimension and design a guide. I also created a 3D modell, with the help of the 3D CAD software named Creo. Then I created the assembly drawings and also separate component drawings.
8
2. BEVEZETÉS A vezetékek a szerszámgépek legfontosabb alkotórészei közé tartoznak. Feladatuk a szerszám és munkadarab közötti relatív mozgás létrehozása. A létrehozott munkadarab geometriai pontossága, felületének minősége nagyban függ a vezetékek pontosságától. Valamint a gép termelékenységét meghatározó egyik legfontosabb tényező a vezetékek által biztosított mozgatási sebesség. Törekedni kell a gyártási és előállítási költségek minimalizálására, tehát a szerszámgép feladatait kielégítő legoptimálisabb vezetékrendszer kialakítására (teljesítse a szükséges pontossági követelményeket, de csak annyit), valamint a könnyű szerelhetőségre.
A vezetékek a fellépő terheléseknek ellenálló, egyszabadságfokú elmozdulást biztosító, precíz (köszörült), merev (előfeszített), kopásálló (edzett) szerkezeti elemek. Az egyszabadságfokú elmozdulást azzal biztosítják, hogy a lehetséges hat szabadságfok közül ötöt kényszerekkel lekötnek. A vezetékek minőségét főleg a kopási és súrlódási tulajdonságai befolyásolják. Ha a kopási tulajdonságok nem megfelelőek, akkor a gép az élettartama során nagymértékben veszít a pontosságából és ez befolyásolja a munkadarabok alakját és pontosságát is.[1]
Két súrlódási formát különböztethetünk meg, az egyik a csúszási súrlódás másik pedig a tapadási súrlódás. A csúszási súrlódás mozgás közben lép fel, míg a tapadási súrlódás álló helyzetben jellemezi az anyagokat. Általában a tapadási súrlódás mindig nagyobb, mint a csúszási súrlódás. Emiatt gyakran jelentkezett a stick slip jelensége, amely a vezetékek akadozó, szaggatott mozgását okozta. Ez a jelenség alacsony sebességek esetén jelenik meg. A súrlódási együtthatók csökkenthetők a felületi minőség javításával (főleg a felületi érdesség csökkentése). Azonban, ha túl nagymértékben csökkentjük a felületi érdességet, akkor a két felület közt adhéziós hatás léphet fel, ami a felületek összetapadását eredményezi. Ezt a jelenséget csúszóvezetékek esetén polimerek alkalmazásával próbálták csökkenteni. Csúszóvezetékek esetén a stick slip jelenségét a mai napig sem tudták teljes mértékben megszüntetni. A modern gördülővezetékek és hidrosztatikus vezetékek már nem szenvednek ettől a hatástól, viszont az áruk is magasabb.[2]
9
A szerszámgépek vezetékeinek tehát a következő követelményeknek kell megfelelniük:
pontos helyben tartás (forgácsolás során a munkadarab kívánt pozícióban tartása) mozgás közben ne lépjen fel nem kívánt súrlódási állapot kismértékű kopás, kopás utánállítási lehetőség könnyű futás (nagy) pontosság merevség cserélhetőség kis karbantartási igény
A fent sorolt követelménynek teljesítéséhez fontos, hogy a vezeték a következő tulajdonságokkal rendelkezzen:
az erők és nyomatékok lehető legrövidebb (karon) való elvezetése a tartóelemre (talajra) nagy vezetékfelületek, kis terhelések a pontosság biztosításához. minél kisebb tömeg mozgatása a szánmozgatás erőhatásának vonala közel legyen a vezetékek síkjához aerosztatikus és hidrosztatikus nagypontosságú vezetés szubmikronos gépeknél, mérőgépeknél
A
fenti
követelményeknek
kielégítésére
sokféle
megoldást
szerszámgépvezetékeknél, amelyeket a következők szerint lehet osztályozni:
Teherviselő elem típusa szerint:
sikló (csúszó) vezetékeket gördülő vezetékeket
hidrosztatikus illetve hidrodinamikus vezetékeket aerosztatikus illetve aerodinamikus vezetékeket kombinált vezetékeket
Kialakításuk szerint:
előfeszített előfeszítés nélküli
10
találtak
ki
Alakjuk szerint:
egyenes (lineáris) vezetékek körvezetékek
A következő fejezetben e vezetéktípusokat fogom röviden ismertetni.
2.1 Csúszó vezetékek[3] A csúszó vezetékek a gördülő vezetékek után a második legelterjedtebb, legrégebbi és legegyszerűbb vezetéktípusok a szerszámgépek esetében. Előnyei közé tartozik az olcsósága, egyszerűsége, nagy dinamikus terhelhetősége és jó rezgéscsillapító képessége, viszont hátrányai a kis merevség, a szükséges nagyobb hézagok miatt pontatlanabb megmunkálást tesz lehetővé, kopás, rendszeres karbantartást igényelnek, és akadozó csúszás léphet fel kis sebességek esetén. A csúszó vezetékek kenési állapotait az úgynevezett Stribeck diagram írja le:
1. ábra Stribeck diagram[4] Nyugalmi állapotban a testek egymáshoz képest nyugalomban vannak, fémes súrlódás esetén még a felületek között nincs kenőanyag, vegyes állapotban a felületek közötti terhelést az érdesség csúcsok és a kenőanyag közösen viseli, folyadék súrlódás és hidrodinamikus súrlódásnál pedig az ellenállást csak a folyadék belső súrlódása okozza. Ez a belső súrlódás a diagramból is látható, hogy a sebesség növekedésével növekszik. 11
A leggyakoribb csúszóvezeték típusok a fecskefark, hengeres, prizma-lapos, valamint a síkvezeték. A következő képen látható két elrendezés a leggyakoribb a hagyományos esztergagépek hossz,- és keresztszánjai esetében.
2. ábra Fecskefark és prizma-lapos szánelrendezés[5] A prizma-lapos vezetékek két funkciót is megvalósítanak, ezek pedig, hogy keskeny vezetést biztosító irányító felületek és teherviselő felületek egyszerre. Ezt funkcióösszevonásnak hívják. A keskenyvezetés előnye a pontosabb megvezetés, rövidebb szánkialakítás lehetséges és a befeszülés elkerülhető. A prizma lapos vezetékek kialakítása lehet szimmetrikus és aszimmetrikus is. A fecskefarkas megoldást alacsonyabb terhelésű, a megmunkálás szempontjából kevésbé fontos és keskenyebb szánok vezetésére használják. Ennél a megoldásnál a hézag beállítása a kúpos ékléc segítségével történik 12
2.2 Gördülő vezetékek Gördülő vezetékek esetében az érintkező felületek közé golyókat vagy görgőket helyezünk. Ezt korszerű szerszámgépeknél alkalmazzák, hiszen nagy pontosság érhető el vele és az előfeszítésnek köszönhetően játékmentes és pontos vezetést biztosít. A gördülő vezetékek jelenleg a leggyakrabban alkalmazott megoldás a szerszámgépeknél. Két típusuk lehet, ezek a nyitott és zárt. Nyitott esetben a szán csak vízszintes helyzetbe építhető be, a kapcsolatot a mozgatott elem súly hozza létre és csak véges kialakításúak lehetnek. Ezzel szemben a zárt vezetékek korlátlan elmozdulást biztosíthatnak és golyó vagy görgősorral is készíthetők.
A gördülő vezetékek előnyei:
gördülő ellenállás lép fel, ezért kis erőkkel is mozgathatók kis sebességnél se lép fel akadozó mozgás, előfeszítés lehetséges gyors mozgások érhetőek el, nagy menetemelkedésű orsók alkalmazásával kevés kenőanyagot igényelnek, élettartam kenés megvalósítható egy egységbe integrálhatók
Ezzel szemben természetesen vannak hátrányai is a gördülő vezetékeknek:
drága, mivel nagy pontosságú felület kialakítására van szükség szennyeződésekre érzékeny, ezért fontos a vezetékek védelme kis rezgéscsillapítás, kis ellenállás a lökésszerű terhelésekkel szemben
3. ábra Görgős kocsi [6] A fenti megoldás előnye, hogy végtelen hosszúságú elmozdulást biztosíthatnak, az előfeszítést már a gyártótól megrendelhetjük, kevés elemből állnak, így egyszerűbb a beszerelésük, és egyszerű bázisfelület megmunkálást igényelnek. 13
2.3 Hidrosztatikus vezetékek[7] Hidrosztatikus
vagy
aerosztatikus
csapágyakat
a
nagypontosságú,
szubmikronos
szerszámgépek esetében alkalmaznak. A két változat között eltérés a bennük áramló közegben van hidrosztatikus esetben olaj, míg aerosztatikusnál levegő. Az aerosztatikus változatot főleg mérőgépeknél használják. A továbbiakban a hidrosztatikus vezetékeket fogom részletesebben megvizsgálni.
Hidrosztatikus csapágyaknál az csapágy elemei közé nagynyomású folyadékot juttatunk. Ez általában olaj. Az elemek közt kialakuló résben az olaj veszi fel a terheléseket, valamint elválasztja egymástól a csúszó felületeket. A siklócsapágyak közé tartoznak az ilyen elven működő csapágyak. A csapágyaknak az olajszivattyú biztosítja az olajellátást, olyan szivattyút kell kiválasztanunk, amely képes közel állandó folyadékáramot szállítani. A csapágykamra elé szabályozó kapilláris csövet kell beépíteni annak érdekében, hogy a terhelés hatására se változzon a résméret.
4. ábra Hidrosztatikus vezeték [8]
14
A hidrosztatikus csapágyazás előnyei:
a csapágy elemei minden esetben el vannak egymástól választva álló helyzetben sincs érintkezés a felület között súrlódási ellenállást mindössze a folyadék nyírása okozza álló helyzetben nincs súrlódási ellenállás a felületek között megfelelő kialakítással nagy merevség érhető el nem lép fel kopás, mivel a felületek nem érintkeznek nagy pontosság, precizitás minimális rezgések egyenletes nyomáseloszlás
kiszámítható viselkedés az üzemi körülmények között egyszerűbb gyárthatóság, mivel nem szükséges nagyon jó felületminőséget előírni, hisz a felületek nem érintkeznek
A következő képpel szeretném illusztrálni, amelyet az egyik hidrosztatikus vezetékeket gyártó cég honlapján találtam, a hidrosztatikus vezetékek kiváló rezgéscsillapító képességét. Az alábbi képen egy pohár vízben keltett rezgések láthatóak egy hidrosztatikus (bal) és egy gördülő vezeték (jobb) mozgása közben.
5. ábra Gördülő és hidrosztatikus vezeték rezgései[9]
15
A hidrosztatikus vezetékek hátrányai:
drága fontos a kenőanyag tisztasága szivattyú energiaigénye miatt veszteségek lépnek fel kiegészítő berendezések szükségesek (szivattyú, csövek, szűrők, szelepek)
A fenti összeállításból látható, hogy ennek a megoldásnak több előnye van, mint hátránya, valamint szinte minden szerszámgép vezetékezési feladatra kiválóan alkalmazható, ennek ellenére 10% alatti az alkalmazásának az aránya szerszámgép vezetékek esetében. Ez azzal magyarázható, hogy gazdaságosan csak ott alkalmazhatók, ahol
más módszerrel nem megoldható a folyadéksúrlódás állapot, és gördülőcsapágy nem alkalmazható nagyméretű, nagyértékű berendezések, ahol a segédberendezések költségei elhanyagolhatók a többi költséghez képest az ágyszán merevsége és kis súrlódási ellenállása a legfontosabb követelmény (nagypontosságú gépek) nagy méretek esetén, ahol más megoldások költségei lényegesen nagyobbak
A csapágy tetszőleges kialakítású lehet (sík, henger, gömb), és ezek méretezése az egyszerű működési elv miatt azonos módszerrel elvégezhető. Fontos a kiegészítő berendezések feladata, hogy megfelelő nyomású és tisztaságú kenőanyagot juttasson az elemek közé, valamint a szabályozásról is gondoskodni kell.
16
2.3.1 A hidrosztatikus vezeték működése [10] Kétféle megoldás létezik a hidrosztatikus vezetékeknél az állandó nyomású és állandó folyadékáramú vezeték. Ezekben a lényeges különbség, hogy az állandó nyomású működtethető gázokkal is, például sűrített levegővel.
Állandó szivattyú-nyomású hidrosztatikus vezeték
6. ábra Az állandó nyomással működő hidrosztatikus vezeték [11] Az állandó nyomást fojtást segítségével oldják meg és a szán egy síkfelületen mozog. A szán hossza mentén több zsebet kell kialakítani vagy több külön szánegységet kell használni, hogy megfelelő alátámasztás nyújtson a munkadarab vagy szerszám számára. A zsebekbe a szivattyú folyadékot szállít a fojtás miatt közel állandó nyomáson addig, amíg képes nem lesz a szánt elemelni a csúszólaptól. A rendszerben három nyomásérték jelenik meg, a szivattyú által szállított nyomás, a zsebben fellépő nyomás, ami folyamatosan lecsökken a külső élekig a környezeti nyomásra. Mivel a szivattyú által szállított nyomás, és a környezeti nyomás állandó, ezért a rendszerben csak a zsebben fellépő nyomás és a hézag tud változni a terhelés hatására. Ha a hézag csökken akkor nyomás a zsebben nő, ha nő a hézag akkor a zseb nyomása csökken. Ha a hézag eltűnik, azaz a két felület összetapad, akkor a szivattyú nyomása és a zseb nyomása megegyező lesz. Olyan hézagméret alakul ki, hogy a terhelő erővel megegyezzen a zsebben lévő folyadék nyomása. Ha csökken a terhelés, akkor a hézag nagysága nő, ennek következtében pedig a nyomás csökken. Ellenkező esetben a fenti folyamat ellentéte történik. Megfelelő kialakítással a hézag nagyságának a változása elhanyagolható lesz. Azt a 17
tulajdonságot, hogy a terhelés változás hatására mekkora mértékben változik a hézag mérete, a rendszer merevségének hívjuk. A merevségnek nagyon fontos szerepe van a megmunkálás pontosságában. Ez a megoldás elméletben működőképes akkor is ha folyadék helyett valamilyen gázt használunk a felületek elválasztására.
7. ábra A hidrosztatikus vezeték [12] Állandó folyadékáramú hidrosztatikus vezetékek Mivel nem célszerű az összenyomható gázokkal állandó térfogatáramot fenntartani folyamatosan változó nyomású környezetben. Ez a megoldás abban különbözik az állandó nyomású rendszertől, hogy ebben az esetben nincsen fojtás. Itt a rendszerben csak egyetlen nyomásérték van jelen, a zseb nyomása, ami folyamatosan változik a terhelés függvényében. Ebben az esetben is ha a terhelés növekedésének a hatására a hézag lecsökken, akkor a állandó folyadékáram miatt a nyomásnak addig kell növekednie, amíg be nem áll az egyensúlyi állapot
Az ilyen típusú csapágyakat a szerszámgépek mellett más területeken is alkalmazhatók, például rádiótávcsöveknél,
gázturbinákban,
vízturbinákban,
munkahengerek dugattyújának a megvezetésére.
18
gőzturbinákban,
és
hidraulikus
3. A PIACON ELÉRHETŐ MEGOLDÁSOK A piackutatás során megvizsgáltam, hogy jelenleg a piacon milyen elérhető megoldások vannak a hidrosztatikus vezetékek kialakítására. Mivel manapság a szerszámgépeket különböző előre gyártottrészegységekből építik össze, erre reagálva a gyártók kompakt megoldásokat kínálnak a hidrosztatikus vezetés megoldására. Ezek előnye, hogy a terméket megvásárolva beépíthetők a szerszámgépekbe. A következő oldalakon néhány nagyobb céget mutatok be, akik hidrosztatikus vezetékekkel foglalkoznak.
3.1 Zollern A német Zollern céget 1708-ban alapították és a mai napig az alapító család tulajdonában van. A központjuk Németország déli határához közel, Lauchertalban található. Széles termékpalettával rendelkeznek, az autóipartól kezdve az acélöntéssel bezárólag gyártanka termékeket. Ezenkívül motorcsapágyakat, aerosztatikus, hidrosztatikus csapágyakat, gépjármű váltórendszereket gyártásával is foglalkoznak. A világ minden részén összes 22 gyáregységben történik a termékeiknek a gyártása.
8. ábra Zollern által gyártott hidrosztatikus vezeték [13]
19
Ezek elméletileg végtelen élettartamot biztosítanak, rezgésmentesek a gördülőelemek hiánya miatt, nincs holtjáték és alacsony sebességeknél súrlódásmentes működésűek, így a stick slip hatás sem lép fel. Maximális gyorsjárati sebesség, ami elérhető 50 m/min. Nagy hőstabilitással rendelkeznek, az olajnak hőelvezető szerepe is van. Meghibásodás esetén, ha megszűnik az olajnyomás sem történik nagy baj, hiszen a kapcsolódó felületek bevonatoltak, így képesek egymáson elcsúszni.
A szivattyú nyomása 80 bar, míg a folyadékáram 0,8 és 1 liter/perc lehet a vezeték méretétől függően.
3.2 Schaeffler A Schaeffler egy 1946-ban Németországban alapított cég. Sok országban jelen van leányvállalatai segítségével, többek között Magyarországon is. Az autóiparban is jelen vannak alkatrész beszállítóként, például lendkerekek, váltóművek, szelepek, felfüggesztés és kormánymű alkatrészek gyártásával. A hibrid járművek területén is jelen vannak beszállítókent, elektromos hajtásokat, és hidrosztatikus tengelykapcsoló szerkezeteket is gyártanak. Ezenkívül a repülőgépiparban és természetesen a gyártóeszközök területén is sok terméket gyártanak.
9. ábra Schaeffler által gyártott hidrosztatikus vezeték[14]
20
Meghibásodás esetére a vezetékek érintkező felületeit bronzbevonattal vonták be, így a sérülés esélye minimális, túlterhelés vagy hidrosztatikus nyomás nélküli üzemeltetés esetén is. Az rendszerbe integrált hidraulikus vezérlés miatt, már meglévő görgősvezetékkel rendelkező szerszámgépeknél is alkalmazhatók, ha nagyobb pontosságra, jobb rezgéscsillapításra van szükség. A Zollern megoldásához képest gyorsabb sebességek érhetők el vele, akár 120 m/min is. A legnagyobb löket, amit le tudnak fedni a termékpalettájukkal 2940 mm. Fontos, hogy az egész sínnek egy darabból kell állnia, tehát több rövidebb sín nem építhető össze egybe. A hidrosztatikus vezeték rendszer minimum két darab vezetéksínből áll, és sínenként két darab szán viseli el a terheket. A rendszer merevséget nagymértékben befolyásolja az előfeszítés, amelyeket a szelepekkel lehet beállítani. Az alapérték 5 MPa nyomókamránként.
Az általuk gyártott vezeték kiváló rezgéscsillapító képességekkel rendelkezik, 100 bar a működési nyomása, a szükséges folyadékáram 1,3 l/perc. Mivel az egész rendszerként egy egységként árulják és szállítják, így könnyeb beszerelhető. Kiváló dinamikus merevséggel rendelkeznek. Alkalmazhatóak megmunkáló központokhoz, marógépekhez, esztergákhoz, köszörűkhöz.
3.3 TAC Rockford A TAC Rockford egy 1991-ben alapított amerikai székhelyű vállalat. Egy kis cég, amely egyetlen gyártócsarnokkal rendelkezik Rockfordban. Legnevesebb vevőik a Boeing, Caterpillar és a General Motors. Fő profiluk a szerszámgépek különböző alkotórészei. Gyártanak különböző mérőeszközöket, amelyek szerszámgépeknél alkalmazhatók. A szerszámcseréléshez szükséges eszközöket, például szerszámbefogók, ezen belül is főleg HSK kúpos befogót, szerszámkiemelő Hirth-kerekek, szerszámtárakat, és tokmányokat is megtalálhatjuk a termékpalettájukon.
21
10. ábra A TAC Rockford által gyártott hidrosztatikus vezeték [15] A gyártó szerint a vezetékeik 1 mikron nagyságú mozgást is képesek megvalósítani. A többi cég termékéhez hasonlóan ezt is jó rezgéscsillapító képesség és vibrációmentes mozgás jellemezi. Kopás nem lép fel üzemszerű működés során. Viszonylag olcsón gyárthatók, mivel nem szükséges nagyon szigorú tűréseket alkalmazni. Használhatók függőleges és vízszintes vezeték elhelyezkedés esetén is. A hidrosztatikus vezetékek jellemzőiből adódóan jól tudják kompenzálni a tömegből és megmunkálásból adódó erőket. Ideális az olyan szerszámgépekhez, ahol a megmunkálás közben fellépő és gyorsulási erők kisebbek, mint a súlyerő a vezetéken. Jól használhatók köszörűgépekhez, precíziós szerszámgépekhez és mérőgépekhez is. A cég által gyártott vezetékek között 50 és 100 bar-os nyomással működők találhatók meg.
22
4. SZABADALOMKUTATÁS 4.1 US3355990A szabadalom Feltalálók:
Thum Helmut
11. ábra A szabadalom egyik ábrája[16] Az olaj egy szivattyú segítségével jut el a szelepeken (5) keresztül a nyomókamrákba (6). Itt a nyomás addig növekszik, míg a szán felületét elemeli az ágytól. Miközben az olaj nyomása csökken, kifolyik a nyomókamrákból az olajgyűjtő csatornákba. Az itt található tömítés (8) megakadályozza, hogy az olaj a vezetéken kívülre kerüljön. Az olaj az olajgyűjtő csatornán (11) a fő olajgyűjtő csatornába (12) jut, ahonnan egy szelepen keresztül kerül vissza a tartályba és innen használható fel újból. Egy útváltó szeleppel megoldható a rendszer vezérlése, hisz 0 pozícióban nincs hidraulikus nyomás a rendszerben, míg a szelep többi pozíciójában a hidrosztatikus vezeték működés alatt áll. 23
4.2 US 20140112603 szabadalom Feltalálók:
Yi-Ming Chen, Tzuo-Liang Luo, Shao-Ying HUNG, Chien-Chih Liao, WeiJuh LIN, Shao-Ku Huang
A szabadalomban részletezett berendezéshez egy hidrosztatikus sín, hidrosztatikus szán, olajellátó berendezés, vezérlőegység, valamint mérőberendezések tartoznak. A sín és a szán között található hidrosztatikus csatornában lévő olaj biztosítja a két részegység közötti rést. Ezek működését a következő blokkdiagrammal illusztrálták a feltalálók.
12. ábra Az US 20140112603 szabadalom blokkdiagramja[17] A mérőberendezés a szán és a sín közötti távolságot méri és ennek függvényében tudja változtatni a vezérlőegységen keresztül a folyadék nyomását. Ez a mérőeszköz optikai működésű, tehét fénysugarat bocsát ki a szemközti, magas fényvisszaverőképességű felületre és a visszavert fénysugárból állapítja meg a sín és a szán közti távolságot és az általuk bezárt szöget. A következő ábrán, ami a hidrosztatikus részletes felépítését mutatja be, a 220a és a 220b az előzőekben tárgyalt optikai szenzor, és a 110a és 110b a nagy fényvisszaverőképességű felület.
24
13. ábra A szabadalomhoz tartozó magyarázó ábra [18] A fenti ábrán látható D1 és D2 távolság változik a nyomás függvényében. Ha a munkadarab súlya miatt a hézagméret lecsökken, akkor a vezérlés addig növeli a nyomást, míg a hézag mérete el nem éri az előre meghatározott értéket, ha pedig változik a vezetékre ható súlyerő, akkor a vezérlő csökkenti a nyomást, így folyamatosan állandó lesz a hézag mérete, ami precíz megmunkálást tesz lehetővé. A vezérlés képes arra is, hogyha eltérő hézag alakul ki a két oldalon (például D1 nagyobb, mint D2), akkor D1 oldalon csökkenti, míg D2 oldalon növeli a nyomást, hogy az egyensúly létrejöjjön és a szán vízszintes legyen. Ez akkor fordulhat elő, ha például a megmunkálandó darab tömegközéppontja nem esik a szán középvonalára. A 230-as számmal jelölt védőfedél feladata a belső részek, főleg a mérőegység védelme, a megmunkálás közben keletkező forgácstól és egyéb szennyeződésektől (hűtő-kenő folyadék). Összefoglalva, mivel a vezérlés képes a szán és a sín közötti rést közel állandó méretűnek tartani, nagypontosságú megmunkálást biztosíthatunk azzal a szerszámgéppel, amelyiket ilyen vezetékmegoldással látunk el.
25
4.3 US 20100067834 szabadalom Feltalálók:
Martin Menges, Wolfgang Bauer
14. ábra A szabadalomban szereplő hidraulikus vezeték[19] Ez a szabadalom az előzőekben a piackutatásban is bemutatott Schaeffler hidrosztatikus vezeték megoldást mutatja be. Az olajellátást egy külső szivattyú biztosítja. A hidraulikus folyadék a réseken kifolyik, amelyek a nyomókamrákhoz vannak csatlakoztatva. Maga a sín egy üllőhöz hasonló kialakítású. A sín alsó (9) és felső (10) része között van kialakítva a tömítésnek a helye. Ezzel van az biztosítva, hogy az olaj még kikapcsolt állapotban se folyhasson el. A szabadalom egyik célja az olaj szivárgásának a megszüntetése a hidrosztatikus vezeték működése közben. A csapágyfelület négy különálló felületből áll, amelyek közül 2-2 szimmetrikusan helyezkedik el a sín két oldalán a vezeték teljes hossza mentén. A szelepen (5) keresztül áramlik be a folyadék a szán és a sín közé egy szivattyú segítségével. Míg a végén található lefolyószelepen (6) jut ki a vezetékből közel nyomásmentesen. A nyomókamrákba befolyó olaj a résekbe (16) jut, majd innen egy lecsapoló berendezés (17) csapolja le és juttatja vissza a lefolyószelepen keresztül, így az újra felhasználható lesz. Fontos ezen kívül, hogy amint a folyadék elhagyja a hézagot (16), a nyomása ne legyen túl nagy, azaz ne nagy nyomású folyadék érkezzen a lecsapoló berendezéshez.
26
15. ábra A szabadalomban leírt megoldás keresztmetszete[20]
27
4.4 US 7101080 szabadalom Feltalálók:
Kazuo Kobayashi, Etsuo Fujita
16. ábra Az US 7101080 szabadalomhoz tartozó egyik ábra [21] Ez a szabadalom egy köszörűgéphez készített hidrosztatikus vezeték, amelyik használható a munkadarabot és a szerszámot hordozó vezetékként is. Az olajellátást egy szabályozó szelepen keresztül szivattyú biztosítja. A vezeték képes nagyméretű és tömegű terhek mozgatására is. Ezért beépítésre kerültek úgynevezett „kopólemezek” (14,23), amelynek a feladata a merevség növelése, valamint annak a megakadályozása, hogy por vagy egyéb szennyeződés kerüljön a vezetéken belülre. Természetesen ennek a megoldásnak az a hátránya, hogy nagyobb erők szükségesek a vezetékek mozgatásához. Ez a megoldás képes a vezeték mozgási irányában és arra merőleges irányban is a merevség növelésére. Ebben az esetben zsebek magukban a kopólemezekben is kialakításra kerültek. Előnye ennek a megoldásnak, hogy mozgás közben nincs érintkezés a felületek között, nagy merevséget és kis rezgéseket okoz és emiatt nagy pontosságú munkadarabok legyártása lesz lehetséges, akár nagy méretekben is. A feltalálók szerint elérhető a 0,3 μm/150 mm egyenesség is és akár nagyméretű munkadarab esetén is kiváló egyenesség érhető el (1,3 μm/4000 mm).
28
5. A
VEZETÉK
HIDROSZTATIKUS
MÉRETEZÉSÉNEK
ISMERTETÉSE[21]
5.1 Geometriai méretek, működési jellemzők meghatározása A csapágy terhelhetősége A méretezés során felhasználtam a Dr. Magyar József, Dr. Kozma Mihály, Dr. Czégl József által készített, Hidrosztatikus csapágyak méretezése című jegyzetet, amely alapján készítettem el a számítást és az egyes tényezők felvételét a diagramok alapján.
A csapágy terhelését a nyomókamrába bevezetett folyadék veszi fel, a kamra nyomása a tömítőperemeken fokozatosan a környezeti nyomásra csökken és a csapágy terhelés a kialakuló nyomásdomb térfogatával egyezik meg. 𝐹 = ∫ 𝑝 𝑑𝐴 𝐴
Ez az integrálás csak a legegyszerűbb csapágypárna kialakítások esetén végezhető el, az esetek nagy részében közelítő eljárással kaphatjuk meg a csapágy terhelését. A fenti összefüggés közelítő megoldása a következő alakra hozható. 𝐹 = 𝑎𝑓 ⋅ 𝑝𝐾 ⋅ 𝐴 Az af az úgynevezett terhelési tényező, amely csak a csapágypárna alakjától függ.
A csapágy kenőanyag szükségletének meghatározása A csapágy terhelésének felvételéhez szükséges folyadékmennyiség megegyezik csapágypárna kerületén kiáramló folyadékmennyiséggel. 𝑄 = −∫ 𝐾
ℎ3 𝑑𝑝 𝑑𝐾 𝜂 𝑑𝑏
29
a
Ez az integrálás pontosan csak köralakú párna esetén végezhető el, más esetekben közelítő eljárást vagy méréseket kell alkalmazni. Ekkor egy qf folyadékmennyiség tényezőt bevezetve, amely csak a csapágypárna alakjától függ, a következő alakú összefüggést kapjuk: 𝑄 = 𝑞𝑓
ℎ3 𝐹 ℎ3 = 𝑞𝑓 𝑎𝑓 𝑝 𝜂 𝐴 𝜂 𝑘
A csapágy teljesítményszükséglete A szükséges teljesítmény két részből adódik össze:
szivattyú hajtás teljesítménye súrlódási veszteség legyőzéséhez szükséges teljesítmény 𝑞𝑓 ℎ3 𝐹 2 𝑃𝑠𝑧 = 𝑝𝑘 𝑄 = 𝑎𝑓 𝜂 𝐴2
A szivattyú vesztesége függ a csapágypárna alakjától, amelynek van egy minimális értéke, ami meghatározza az optimális csapágyalakot, és ezt a qf / af minimum pontja határozza meg. Különböző csapágyalakok esetén a geometriai arányok függvényében meghatározható af, qf, qf / af értéke az alábbi ábrák segítségével. Ezek alapján meghatározható az optimális csapágykialakítás, amely a legkisebb energiaigénnyel jár.
17. ábra Négyszögletű, négy nyomókamrás csapágy méretezési tényezői[22] 30
18. ábra Hosszméretekkel arányos tömítőperemszélességű négyszögletes csapágypárna terhelési tényezője[23]
19. ábra Hosszméretekkel arányos tömítőperemszélességű négyszögletes csapágypárna kenőanyagfogyasztási tényezője[24] 31
A súrlódási veszteség a kenőfilm nyírási ellenállása következtében keletkezik. A kenőanyag nyírási ellenállása elhanyagolható, mivel a résméret a tömítőfelületeken közel állandó és a nyomókamrák felett a résméret viszonylag nagy. 𝑃𝑠 = ∫ 𝑈 𝜏 𝑑𝐴 = ∫ 𝑈 𝜂 𝐴
𝐴
𝑃𝑠 = 𝜂
𝑑𝑢 𝑑𝐴 𝑑ℎ
𝑈2 𝐴 ℎ 𝑡
Ha a csapágyrés nem állandó, a közepes érték alapul vétele nem okoz jelentős hibát. A súrlódási ellenállás változtatható a tömítőperem felületének változtatásával és ez jelentősen kisebb is lehet, mint az azonos körülmények között működő hidrodinamikus csapágynak. A tömítőperem felületének változtatása módosítja a kenőanyag szükségletet is.
5.2 A hidrosztatikus csapágyak szabályozása A nyomókamrákba a szivattyú közvetlenül szállítja az állandó kenőanyag mennyiséget, a terhelés változása esetén viszont a pk kamranyomás és így a h résméret is változik. A terhelés változás és a résméret változás közti összefüggést a csapágy merevsége adja meg: 𝑆=
𝜕𝐹 𝜕ℎ
A résméret ingadozásának a csökkentése céljából a kamranyomástól függően kell változtatni a kenőanyag mennyiségét, ezt a nyomóvezetékbe beépített különféle szabályozó elemekkel oldják meg. Igen fontos a szabályozó elemek szerepe a több nyomókamrás csapágytípusoknál, hiszen ezek biztosítják, hogy a nagyobb terhelésű nyomópárnákon nagyobb nyomás alakuljon ki és az átáramló olajmennyiség is nagyobb legyen. A szabályozó elemek közül a hidrosztatikus csapágyak esetén a következőket alkalmazzák:
kapilláris cső mérőperem mennyiség és nyomásszabályozó szelepek
32
A kapilláris csöves szabályozás A kapilláris csőben lamináris áramlás esetén a nyomásesés lineáris és az átáramló folyadékmennyiséget a következő összefüggés határozza meg:
𝑄𝑘 = 𝑘𝑐
𝑝𝑠𝑧 − 𝑝𝑘 𝜂
Azt, hogy az áramlás lamináris-e a Reynolds szám segítségével kell ellenőrizni. Az egyszerű, kis helyet igénylő hidraulikus rendszerek esetén egyszerű injekciós tűk is alkalmazhatók.
A mérőperemes szabályozási mód A mérőperemen átáramló folyadékmennyiség: 𝑄𝑚 = 𝑘𝑚 √2(𝑝𝑠𝑧 − 𝑝𝑘 )
ahol km a mérőperem méreteitől és a kenőanyag sűrűségétől függ. A mérőperemek előállítása nehezebb, mint a kapilláris csöveké, de a kenőanyag viszkozitása nem befolyásolja a csapágyba kerülő
kenőanyag
mennyiségét,
így
különösen
előnyös
használatuk
nagy
hőmérsékletváltozások esetén.
A szabályozó szelepes szabályozás Sokféle kialakításuk lehetséges, viszont költségesek, így csak indokolt esetben alkalmazzuk. A legjelentősebb és legegyszerűbb csoportjuk az állandó folyadékmennyiséget biztosító szelepek. A szabályzó elemek adott üzemeltetési körülmények esetén egyértelműen meghatározzák a csapágyba jutó folyadékmennyiséget, ennek következtében a csapágyhézagot, a szivattyú teljesítményt és a csapágymerevséget is. Mivel az adott rendszerben a szivattyúnyomás állandó, a terhelés megváltozása pedig a kamranyomás változtatásával jár, célszerű a kettő hányadosára egy új változót, β, bevezetni.
𝛽=
𝑝𝑘 𝑝𝑠𝑧
33
A szabályozó elemek hatása a csapágy működésére: Kapilláris szabályozás esetén:
𝑝𝑠𝑧 − 𝑝𝑘 1−𝛽 ℎ3 𝑄 = 𝑘𝑐 = 𝑘𝑐 ∙ 𝑝𝑠𝑧 = 𝑎𝑓 ∙ 𝑞𝑓 ∙ 𝛽 ∙ 𝑝𝑠𝑧 𝜂 𝜂 𝜂
Ebből: 3 1−𝛽 3 3 𝑘𝑐 𝑘𝑐 ℎ=√ ∙√ = 𝑘ℎ √ 𝛽 𝑎𝑓 ∙ 𝑞𝑓 𝑎𝑓 ∙ 𝑞𝑓
Ezt visszahelyettesítve a Q összefüggésbe:
𝑄 = (1 − 𝛽)
𝑘𝑐 𝑘𝑐 ∙ 𝑝𝑠𝑧 = 𝑘𝑄 ∙ 𝑝𝑠𝑧 𝜂 𝜂
A Q ismeretében a szivattyú teljesítményszükséglete: 𝑃𝑠𝑧 = 𝑝𝑘 𝑄 = (1 − 𝛽)
𝑘𝑐 2 𝑘𝑐 2 ∙ 𝑝𝑠𝑧 = 𝑘𝑃 ∙ 𝑝𝑠𝑧 𝜂 𝜂
A merevség meghatározásához ismerni kell a terhelést a résméret függvényében, ez a következő összefüggésből adódik:
𝐹=
𝑎𝑓 ∙ 𝐴 ∙ 𝑝𝑠𝑧 𝑎𝑓 ∙ 𝑞𝑓 1 + ℎ3 𝑘𝑐
Ezt deriválva és átrendezve: 𝑆=
𝜕𝐹 3 𝑎𝑓 ∙ 𝑞𝑓 3 4 = 3 √1 − 𝛽 2 ∙ √𝛽 3 ∙ 𝑎𝑓 ∙ 𝐴 ∙ 𝑝𝑠𝑧 √ 𝜕ℎ 𝑘𝑐 3 𝑎𝑓 ∙ 𝑞𝑓 𝑆 = 𝑘𝑠′ ∙ 𝑎𝑓 ∙ 𝐴 ∙ 𝑝𝑠𝑧 √ 𝑘𝑐
34
Ebbe az összefüggésbe visszahelyettesítve a terhelést és a résméretet a következő egyszerű összefüggést kapjuk: 𝑆=
3𝐹 (1 − 𝛽) ℎ
Ezek az összefüggések hasonló módon levezethetők mérőperemes és szabályozó szelepes szabályozás esetén is. A különböző k-s értékeket pedig a β függvényében táblázatból leolvashatjuk.
5.3 Kenőanyagjellemzők meghatározása A biztonságos olajfilmvastagság meghatározása A biztonságos olajfilm vastagságot két, egymással ellentétes szempont határozza meg, ezek:
a szivattyúveszteség csökkentése érdekében a csapágyrés mérete minél kisebb legyen a csúszófelületek tökéletes szétválasztásához megfelelő vastagságú folyadékfilmet kell biztosítani
A legkisebb megengedett rés függ a csapágy méretétől, valamint a felületi érdességtől: 4
ℎ𝑚𝑖𝑛 > 2,3√𝐿 ℎ𝑚𝑖𝑛 > 40(𝑅𝑎1 + 𝑅𝑎2 ) A legkisebb réméret a vezeték alakhibájának vagy deformációjának legalább háromszorosa legyen és nagy hőmérsékletingadozás esetén a csapágyhézag változását is figyelembe kell venni. A gyakorlatban a folyadékfilmvastagság 0,02..0,2 mm, viszont néhány esetben ettől nagyobb hézag szükséges, például:
nagyméretű csapágyak
kis sebességek deformálódó csapágyelemek esetén alakhibás vagy durva felületű csapágyaknál rossz kenőképességű folyadékok alkalmazásánál nem megfelelő anyagpárosítás esetén szélsőséges hőmérsékleti viszonyoknál ha túlterhelhetőség veszélye áll fent ha meghibásodás esetén emberélet kerülhet veszélybe 35
A résméretet általában a felületi érdességből számítjuk ki, majd a többi szempont szerint ellenőrizzük, szükség esetén növeljük.
A kenőanyag viszkozitásának meghatározása Mivel a szerszámgép vezetékeknél általában kis sebességű mozgásokra van szükség, ezért a kenőanyag nyírási ellenállás elhanyagolható, emiatt a nagyobb viszkozitású kenőanyagok előnyösebbek,
mivel
kisebb
szivattyúteljesítményt
igényelnek.
A main szerszámgépeknél viszont az egyre gyorsabb mellékmozgások felé halad a fejlesztés iránya, így a súrlódási veszteség is jelentős lehet, ekkor a Psz = Ps feltétel alapján határozzuk meg az optimális viszkozitást. 𝑝𝑠𝑧 ℎ2 𝛽 𝑞𝑓 𝑎𝑓 √ 𝜂= 𝑈 𝐴𝑡 𝜗=
𝜂 𝜌
5.4 A csapágy hőmérsékleti viszonyai a, A nyomókamrába belépő olaj hőmérséklete A nyomókamrába belépő olaj hőmérséklete eltér az olajtartály hőmérsékletétől, ennek három fő oka van:
a szivattyú mechanikai vesztesége melegíti az olajat a kenőanyag nyomási energia vesztesége melegíti az olajat a csővezeték hőt ad át vagy hőt von el
Ha a környezeti hőmérséklet kisebb, mint az olaj hőmérséklete, akkor a harmadik ok többé kevésbe kiegyenlíti az előző kettőt, így a nyomókamrába belépő olaj hőmérséklete maximum 2-3 °C-kal tér el a tartály hőmérsékletétől. Ha a rendszerben szabályozó elem van, amely miatt csökken az olaj nyomása, akkor ez a különbség nagyobb lehet. Ebben az esetben az nyomókamrába kerülő olaj hőmérséklete: ′ 𝑝𝑠𝑧 − 𝜂𝑠𝑧 ∙ 𝑝𝑘 𝑡𝑘 = 𝑡𝑡 + ′ 𝜂𝑠𝑧 ∙ 𝜌 ∙ 𝑐 ∙ 42700
36
Kapilláris csöves szabályozás esetén figyelembe kell venni, hogy az olaj hőmérséklete a hosszú cső mentén folyamatosan növekszik. Ebben az esetben az olaj hőmérséklete a következők szerint számítható: 𝑡𝑐 = 𝑡𝑡 +
1 𝑝𝑠𝑧 𝑝𝑠𝑧 + 𝑝𝑘 ∙( ′ − ) 𝜌 ∙ 𝑐 ∙ 42700 𝜂𝑠𝑧 2
A kapilláris csövet az így kapott hőmérséklethez tartozó viszkozitással kell méretezni
b, A csapágyból kilépő olaj hőmérséklete A csapágyban lévő olaj hőmérséklete a tömítőperemeken fellépő nyomásveszteség és a kenőfilm nyírásából adódó súrlódási veszteség miatt növekszik. Az olaj a hő egy részét átadja a csapágyelemeknek, egy részét pedig magával viszi. A csapágy által átvett hőmennyiség nagyságának meghatározása nagyon nehéz, sok tényezőtől függ, amelyek közül a legfontosabbak a következők:
csapágyelemek hőleadó felülete csapágyanyag hővezető képessége csapágy tömege, kialakítása
kenőolaj hővezető képessége, fajhője átáramló folyadékennyiség tömítő felület és nyomókamra mérete belép kenőanyag hőmérséklete a kamra nyomása csapágyrés nagysága csúszási sebesség
Ezek miatt a tervezés során figyelmen kívül hagyják a csapágy által átvett hőmennyiséget és utólag számítják a csapágyszerkezet felépítésének a függvényében. Ezt figyelembe véve a csapágyból kilépő olaj hőmérséklete: 𝑡𝑘𝑖
𝑝𝑘 𝜌 ∙ 𝑢2 1 = 𝑡𝑘 + ( + ∙ 𝐴𝑡 ) ∙ 𝜌∙𝑐 𝑄∙𝜌∙𝑐∙ℎ 42700
A csapágyrés átlagos hőmérséklete pedig a következő összefüggéssel számítható: 𝑡ℎ =
𝑡𝑘𝑖 + 𝑡𝑘 2 37
Ezen hőmérséklet és a számított olaj viszkozitás segítségével a szükséges kenőanyag mennyiség kiválasztható. Az olajtartály térfogatát úgy kell meghatározni, hogy a csapágyon a teljes kenőanyagmennyiség 6-8 alkalommal menjen át, vagy nem lenne idő a lehűlésre és a szennyeződések leülepedésére. A tartály hőleadó felületét a fejlődő melegmennyiség határozza meg: 𝐴𝑡𝑎 =
𝑘𝑐𝑎𝑙
ahol 𝛼 = 12 − 16 𝑚2 ∙°𝐶 és 𝜌 = 0,9
𝑄ó ∙ 𝜌 ∙ 𝑐 ∙ (𝑡𝑘𝑖 − 𝑡𝑘 ) 𝛼 ∙ (𝑡𝑡 − 𝑡0 )
𝑘𝑔 𝑚3
A kedvező hőleadás érdekében a 𝑡𝑘𝑖 − 𝑡𝑘 hőfok ne legyen több 15-20°C-nál.
5.5 Egymással szemben lévő hordozófelületekkel rendelkező kialakítás A szerszámgép vezetékeknél a leggyakrabban az egymással szembeni nyomókamrás kialakítást alkalmazzák, amelyeknél a méretezés folyamatában kisebb módosításokat kell alkalmaznunk. Először a fenti összefüggéseket felhasználva elvégezzük a számítást terheletlen állapotra, majd ennek ismeretében határozzuk meg az üzemi állapotnak megfelelő jellemzőket. A csapágypárna felületének nagysága a következő összefüggéssel számítható ki: 𝐴=
4𝐹 𝑝𝑠𝑧
Ezenkívül a terheletlen állapotra vonatkozó működési jellemzők az alábbiak szerint számolhatók ki (olajfogyasztás, szivattyú és súrlódási veszteség, csapágymerevség): ℎ03 𝑄0 = 𝛽 ∙ 𝑃𝑠𝑧 𝑞 𝑎 𝜂 𝑓 𝑓 𝑈2 𝑃𝑠0 = 𝜂 𝐴 ℎ0 𝑡 𝑃𝑠𝑧0 = 𝑃𝑠0 𝑆0 =
3𝐹 ℎ𝑠𝑧
38
Ezután ki kell számítani a következő paramétert, majd az alábbi ábra alapján megkeresni a terheléshez tartozó relatív elmozdulást, amelyből kiszámíthatók a megváltozott résméretek, valamint a hozzá tartozó résállandók. 𝐹 𝑎𝑓 ∙ 𝐴 ∙ 𝑝𝑠𝑧 ℎ1 = ℎ0 (1 − 𝜀) é𝑠 ℎ2 = 2ℎ0 − ℎ1 𝑘ℎ1 = 𝑘ℎ0
ℎ1 ℎ2 é𝑠 𝑘ℎ2 = 𝑘ℎ0 ℎ0 ℎ0
20. ábra Relatív elmozdulás meghatározása[25] Ezek segítségével meghatározható a 18. ábra segítségével az üzemi állapothoz tartozó működési jellemzők. 𝑄′ =
𝑄0 (𝑘 + 𝑘𝑄2 ) 𝑘𝑄0 𝑄1
𝑃𝑠𝑧 =
𝑃𝑠𝑧0 (𝑘 + 𝑘𝑃2 ) 𝑘𝑃0 𝑃1
𝑃𝑠 = 𝑃𝑠0 ∙ ℎ0 ( 𝑆=
1 1 + ) ℎ1 ℎ2
𝑆0 (𝑘 + 𝑘𝑆2 ) 𝑘𝑆0 𝑆1
39
21. ábra Méretezési állandók meghatározásához használt diagramm[26]
A kapilláriscső méretezéséhez a kiszámolt kapillárison átáramló kenőanyag hőmérsékletét kell kiszámolni a 35. oldal elején leírt összefüggéssel, majd ezen a hőmérsékleten megvizsgálni az olaj viszkozitását. A fenti ábrából kiválasztjuk a nyomásviszonynak megfelelő kh értékét, majd a következő egyenletet megoldjuk, úgy hogy l0 > 20 d0 feltétel teljesüljön, és a kialakuló áramlás lamináris legyen. A kapilláriscsövet terheletlen állapotra méretezzük.
𝑘0 =
ℎ3 𝑑04 ∙ 𝜋 ∙ 𝑎 ∙ 𝑞 = 𝑓 𝑓 128𝑙0 𝑘ℎ3
Ezután a következő összefüggéssel, azaz a Reynolds szám meghatározásával ellenőrizhető, hogy a kialakuló áramlás lamináris-e.
𝑅𝑒 =
4 ∙ 𝑄0 ∙ 𝜌 < 2000 𝑑0 ∙ 𝜋 ∙ 𝜂
40
6. A HIDROSZTATIKUS VEZETÉK MÉRETEZÉSE A hidrosztatikus vezetékek méretezése a fentiékből is jól látszik, hogy hosszadalmas, sok számítást igénylő feladat, ami könnyen automatizálható, mivel a számítás mindig ugyanolyan lépések szerint elvégezhető, nekünk csak a kiinduló adatokat szükséges megadni. A méretezéshez ezért a Matlab nevű programot fogom használni, és megvizsgálni különböző nyomókamra felület kialakítások esetén a szükséges kamranyomást és folyadékáramokat.
A következőkben magát a Matlab-ban megírt programot fogom ismertetni és egyes sorokat magyarázni, a szürke háttérrel jelölöm magát a programkódot. A programkódba a % karakter segítségével megjegyzéseket lehet beszúrni, amik megkönnyítik az értelmezést. A kódban szereplő értékek csak a szemléltetés miatt szerepelnek, a valóságos értékek ettől eltérőek lesznek. %Terhelési tényező af=0.7 %Terhelés [N] F=12500 %Csapágyfelület [mm^2] A=5600 A nyomást MPa-ban kapjuk meg, ezért szükséges tízzel osztani, hogy az eredmény bar legyen. %A szivattyú nyomása [bar] psz=(4*F/(A))*10 A következő sorokban a számításhoz szükséges paramétereket adjuk meg, melyek meghatározásához nem szükségesek számítások, azokat különböző megfontolások alapján válasszuk meg. %Folyadékmennyiség tényező qf=4.2 %Szerszámgép gyorsjárati sebessége [cm/s] u=80 %Tömítőperem felülete [cm^2] At=16 %Csapágypárnák száma N=16 41
%Hőátadási tényező [kcal/m^2°C] alfa=16 %Kenőanyag sűrűsége [kg/cm^3] ro=0.9*10^-3 %Kenőanyag fajhője [J/kg°C] c=0.5 %Csapágyrés nagysága [cm] h=3*10^-3 %Környezeti hőmérséklet [°C] t0=25 %Olajtartály hőmérséklete [°C] tt=40 %A szivattyú mechanikai hatásfoka etavesszo=0.8 A nyomásviszony meghatározza a kamranyomás és a szivattyúnyomás arányát, értékét a legtöbb esetben 0,5re vesszük fel. %Nyomásviszony beta=0.5 A következőkben kerülnek kiszámításra a különböző értékek, amelyek a tervezés alapjául szolgálnak. %A szükséges szivattyúnyomás [bar] pk=psz*beta Terhelés fellépése esetén a nyomókamrák egyensúlya megváltozik, a papucs a vezetékhez képest elmozdul lefelé, ennek következtében megváltozik a kamra nyomása és a kifejtett erő is, ezért szükséges a relatív elmozdulás számítása. %Relatív elmozdulás meghatározásához szükséges tényező elmteny=F/(af*10*pk*(A/100)) A következő lépésben szükséges megadni a választott kenőanyag kinematikai viszkozitását cStben, majd ebből szükséges kiszámolni a dinamikai viszkozitást. Viszont, hogy a további számításokhoz megfelelő mértékegységben kapjuk meg (kps/cm2), meg kell szoroznunk a kapott eredményt 10-8-al %A választott kenőanyag kinematikai viszkozitása [cSt] nu=45.1
42
%A szükséges kenőanyag viszkozitás [kps/cm^2] eta=(nu/1.1)*10^-8 %A szükséges kenőanyag mennyiség [cm^3/s] Q0=(h0^3*beta*psz*af*qf)/eta %A súrlódási veszteség [W] Ps0=((eta*u^2*At)/h0)/10 %A csapágy szabályozhatósága S0=((3*F/10)/h0)*(1-beta) %Excentricitás epsz=0.26 Az excentricitás értékét az elmozdulási tényező alapján a 17. ábra segítségével határozható meg. %Első résméret [cm] h1=(1-epsz)*h0 %Második résméret [cm] h2=(1+epsz)*h0 A következő méretezési állandókat a béta függvényében a 18. ábra tartalmazza. %Résállandók terheletlen és terhelt állapotokra kh0=1 kh1=kh0*h1/h0 kh2=kh0*h2/h0 %Méretezési állandók kq0=0.5 kq1=0.3 kq2=0.7 kp0=0.25 kp1=0.2 kp2=0.2 ks0=0.75 ks1=0.82 ks2=0.5 %Olajfogyasztás meghatározása [cm3/s] Q=Q0/kq0*(kq1+kq2)
43
%Teljes szükséges kenőanyag mennyiség [cm^3/s] Qteljes=N*Q Itt szükséges a csapágypárnák számával megszorozni a kapott olajfogyasztás értékét. %Szivattyúveszteség számítása [W] Psz=Ps0/kp0*(kp1+kp2) %A súrlódási veszteség számítása [W] Ps=Ps0*h0*((1/h1)+(1/h2)) %A csapágy teljes energiaszükséglete [W] Possz=Psz+Ps %A csapágy merevsége S=S0/ks0*(ks1+ks2) %A nyomókamrába belépő olaj hőmérséklete [°C] tk=tt+((psz-(etavesszo*pk))/(etavesszo*ro*c*42700)) %A nyomókamrából kilépő olaj hőmérséklete [°C] tki=tk+(((pk/(ro*c))+((eta*u^2*At)/(Q0*ro*c*h0)))/42700) %A csapágyrés átlagos hőmérséklete [°C] th=(tki+tk)/2 Itt az eddig használt
𝑐𝑚3 𝑠
helyett szükséges a
𝑐𝑚3 ℎ
használata, ezért a folyadékmennyiséget meg
kell szoroznunk 3600-al. %A tartály hőleadó felületének nagysága [m^2] Ata=(Q*3600*ro*c*(tki-tk))/(alfa*(tt-t0)) %A kapillariscsoben aramlo kenoanyag atlaghomerseklete tc=tt+(((psz/etavesszo)-((psz+pk)/2))/(ro*c*42700)) %K0 érték kiszámítása k0=(h0^3)*af*qf %Szükséges kapillárisátmérő d0=((k0*128*20)/3.14)^(1/3) %Szükséges kapillárishossz l0=(d0^4*3.14)/(128*k0)
44
7. A
SZERSZÁMGÉP
HIDROSZTATIKUS
VEZETÉKÉNEK
MEGTERVEZÉSE
7.1 A módosítandó szerszámgép bemutatása
22. ábra AWEA FCV-800 megmunkáló központ[27] Feladatom az ábrán is látható AWEA FCV-800 öttengelyű megmunkáló központ X irányú mozgást végző szánjának az áttervezése hidrosztatikus működésűre. A lineáris mozgásokat a szerszám végzi, míg a munkadarab asztala képes billenő mozgást végezni. A szán hossza 800 mm, míg a szerszámgép 48 m/perces gyorsjárati sebességre képes. A forgácsolás során elérhető legnagyobb sebesség pedig 24 m/perc. A gép tömege 15 tonna, amelynek körülbelül a 30%-át kell a X irányú szánnak mozgatnia. Mivel a felépítése szimmetrikus, ezért ez a terhelés egyenlően oszlik el a két vezeték között.
45
7.2 A hidrosztatikus vezeték követelményrendszerének meghatározása [28] A tervezés megkezdése előtt célszerű meghatározni azokat a követelményeket, amelyeknek az elkészítendő vezetéknek meg kell felelnie. Ezzel könnyebbé tehetjük a különböző lehetséges megoldások összehasonlítását azáltal, hogy az egyes követelményeket milyen mértékben teljesítik. A szerszámgép vezetékek főbb követelményeit már a bevezetés során felsorolás szerűen leírtam, a továbbiakban ezeket fogom részletezni a hidrosztatikus vezetékekre alkalmazva.
A fő követelmények közül vannak olyanok, amelyeket a hidrosztatikus vezetékek könnyedén teljesítenek felépítésükből és működési elvükből adódóan, ilyen például a stick-slip mentes mozgás alacsony sebességeknél is, szinte elhanyagolható súrlódási ellenállás, ebből következően minimális kopás, nagy merevség és kiváló rezgéscsillapító képesség. Úgy gondolom az különböző változatok műszaki értékelemzésénél ezeket nem érdemes összehasonlítani, mert minden lehetséges megoldás teljesíti.
Nagyon fontos az egyenes vezetés megvalósítása, amelyet bázisfelületek kialakításával és párhuzamosság, esetleg merőlegesség tűrés előírásával biztosíthatunk. A bázisfelület olyan felület, amelyektől az alkatrész egyes felületeinek helyzetét határozzuk meg. Ezt célszerű egy egyszerűen megmunkálható felületre felvenni. Nagyon fontos a megmunkálás szempontjából, hogy a munkadarabot a megmunkálás során a kívánt pozícióban tartsa és a fellépő terhelő erők ellenére se mozduljon el. Fontos követelmény ezeken kívül, hogy az egyes elemek könnyen cserélhetők legyenek, ez megoldható azzal, hogy készre szerelt szerelési egységként kapjuk a vezetékeket, amelyet utólag illeszthetünk a szerszámgéphez. Figyelembe kell vennünk a hőtágulást is, mint felmerülő problémát, hiszen a szerszámgépek működés közben hő keletkezik, amelynek csak egy része származik a szánok mozgatása közben fellépő erőktől. Átadódhat még a vezetékre a meghajtó motorban keletkező hő, a forgácsolás során keletkező hő, esetleg maga a forgács is melegítheti a vezetéket és a hajtóművekben keletkező hő is átadódhat a vezetékre. Ezek a folyamatok okozzák a vezetékek hőtágulását és hődeformációját, amelyek a vezeték alkatrészeinek térfogatnövekedését és befeszülését okozza. A térfogatnövekedés következtében a vezetékben feszültségek keletkeznek, a befeszülés pedig rezonanciát okoz, ami csökkenti a megmunkálás pontosságát. Ezeket a nem kívánt hatásokat elkerülhetjük azzal, hogy a keletkező hőt elszállítjuk a megmunkálást befolyásoló helyekről, 46
hőszimmetrikus szerkezeteket használunk, vagy olyan anyagokból készítjük el a vezetéket, amelyeknek rossz a hővezető képességük.
Fontos, hogy a megmunkálás során a munkadarab méretétől és tömegétől függetlenül biztosítani kell az előírt pontosságot, ezt hagyományos vezetékeknél az előfeszítéssel oldják meg, míg hidrosztatikus vezetékeknél a kamranyomás szabályozásával. Ettől eltekintve szükséges ebben az esetben is előfeszítést alkalmazni, amelyet itt a szelepek segítségével tudunk beállítani. A hidrosztatikus vezetékek előfeszítésével növelhetők a mozgási sebességek és a gyorsulások, fékezések, irányváltások okozta deformációk csökkenthetők. Mivel a rendszerben folyadékot alkalmazunk, meg kell oldani, hogy ne juthasson ki a környezetbe, ne szivárogjon el. Ezt tömítéssel lehet elérni, tehát a tervezés során erről is gondoskodnunk kell.
7.3 A lehetséges megoldásváltozatok ismertetése A lehetséges csapágykialakításokat a nyomókamrák száma, alakja, a vezeték kialakítása és a szán alakja szerint lehet különválasztani. Ezek alapján a következőkben felvázolok néhány lehetséges megoldást, amelyek közül műszaki értékelemzés segítségével fogom kiválasztani az optimális megoldást értékelemzés segítségével. Az előzetes változatoknál még nem foglalkozok a vezeték rögzítési módjaival a szerszámgéphez, hiszen ez minden megoldásváltozatnál megoldható a legegyszerűbb rögzítési módok valamelyikével, ezek pedig az átmenő furatok rögzítés, vagy zsákfuratok rögzítés. Ennek következtében nem szükséges olyan egyéb rögzítési mód alkalmazása, amely a rendszer merevségét hátrányosan érintené. Nagyon fontos szempont, hogy a vezeték nem csak a szánra merőleges irányú terhelésekkel szemben legyen ellenálló, hanem az oldalirányból érkező terhelésnek is ellenálljon. A nyomókamrákban lévő nyomásból származó erőknek is ki kell egymást egyenlíteniük.
47
A változat
B változat
C változat
D változat
E változat
F változat
G változat
H változat 1. táblázat A lehetséges változatok egyszerű vázlata
48
A fent felsorolt változatokat a következő szempontok szerint fogom összehasonlítani:
a szükséges követelmények teljesítése megvalósíthatóság várható ráfordítás mértéke méret lineáris mozgás biztosítása biztonságos működés (kenőanyag elvezetés, tömíthetőség)
Az „A” változat értékelése: Ennek a megoldásnak az előnye az egyszerű és olcsó megmunkálhatóság, mivel csak egymásra merőleges síkfelületekből áll, így a párhuzamosság is könnyen megvalósítható. Egyetlen nagyméretű nyomókamrát tartalmaz, ami könnyen kialakítható. Ennek a hátránya, és az ok, amiért ezt a megoldás nem lehet alkalmazni, hogy a nyomásból származó erő leemeli a szánt a gépről. A kenőanyag elvezetés szánon belül megoldható, a szükségesen tömítendő felület kicsi, így gazdaságosan megoldható. Az előzőekben leírt probléma miatt, ez a megoldás nem alkalmas szerszámgép vezeték céljából.
A „B” változat értékelése: Az előzőhöz hasonló megoldás, és mivel egymással szemben kialakított nyomókamrákat tartalmaz, ezért már nem emelnék el a nyomásból származó erők a szánt a vezetéktől. Viszont az oldalirányú erőkkel szemben nincsen megtámasztva, így a lineáris mozgás nem valósítható meg a szükséges pontossággal. Másik nagy hátránya a megoldásnak, hogy oldalirányú erők esetén csúszó súrlódás léphet fel az érintkező felületek miatt. Annak ellenéri, hogy egyszerűen megvalósítható lenne, mégse alkalmazható szerszámgép vezetéknek, mert ezzel a hidrosztatikus megoldás miatta előnyök szinte teljes egészében elvesznének.
A „C” változat értékelése: Az előző két megoldáshoz hasonló kialakítású, viszont ez már megoldást nyújt az oldalirányú erőkkel szemben is. Előnye az egyszerűsége, merőleges felületekből alkotják, viszont 5 nyomókamra kimunkálása szükséges, ami miatt a magasabb költségek várhatók és minden kamrához szükséges külön szabályozó szelepek beépítése. Mivel csak az ehhez hasonló, 49
egymással szemben lévő nyomókamrás megoldások képesek a szükséges követelményeket kielégíteni, ezért innentől csak ilyen megoldásokat fogok bemutatni.
A „D” változat értékelése: Ennek a megoldásnak a legyártása kissé nehezebb, nem csak egymásra merőleges felületekből áll. Nagy előnye a megoldásnak, hogy közel azonos méretű nyomókamrák alkalmazhatók, amelyeknél a nyomás miatti erők kiegyenlítik egymás, így minden irányú erő esetén biztosított a pontos megvezetés. Csak 4 nyomókamrát szükséges kialakítani, így olcsóbb lehet, mint az előző változat. Méret szempontjából előnyös, hogy kisebb méretű sínek alkalmazhatók.
Az „E” változat értékelése: A sín kialakítása előnyös a költségek szempontjából, a tömíthetőség egyszerűen megoldható, viszont az L alakú sín hátránya, hogy a nyomókamra mérete mindenképpen kisebb lesz, mint a vele szemközti nyomókamra, így eltérő nyomások alakulnak majd ki. A lineáris vezetés ebben az esetben is megoldható 4 kamrával, ami jótékonyan hat a költségekre.
Az „F” változat értékelése: Ez a változat, kissé bonyolultabb kialakítású, mint az előzőekben leírt, viszont előnye, hogy kisméretű nyomókamrákkal dolgozik, valamint a kenőanyag elvezetés könnyen megoldható és csak kis felületeket kell nagy pontossággal megmunkálni. Hátrány, hogy ennél a megoldásnál szükséges a legtöbb, 6 darab nyomókamra alkalmazása, ami emeli a költségeket.
A „G” változat értékelése: Előnye a kis helyigény, viszont szinte az egész felületét szükséges nagy pontossággal megmunkálni kis párhuzamosság tűréssel megmunkálni. Itt is az előnyösebb négy helyett szükséges öt nyomókamra használata, hogy a nyomás miatti erők kiegyenlítődhessenek.
50
A „G” változat értékelése: Előnye, hogy a szán két részből alakítható ki, így jóval egyszerűbb megmunkálással alakítható ki. Négy nyomókamra elegendő, amelyek közül mindegyik képes a függőleges és vízszintes terhelés felvételére is, így nem szükséges külön kamrák létrehozása a vízszintes terhelés miatt. A tömítéseket csak kis felületen kell alkalmazni, és talán ezzel a változattal érhető el a legtöbb szabad hely a papucson belül az olaj vezetéséhez szükséges furatok kialakítására.
7.4 Az ismertetett változatok műszaki értékelemzése Az értékelemzés során a fentebb felállított szempontok szerint fogom értékelni lehetséges változatokat. A változatokat az adott szempont teljesítése szerint növekvő sorba rendezem, ahol az egyes jelenti azt, hogy az adott követelmény szempontjából az lenne az optimális megoldás. Az egyes változatok a helyezésüknek megfelelő pontszámot kapnak. A végén a kapott eredményeket összesítem, és az optimális megoldás az lesz, amelyik a legkisebb pontszámot érte el. Az egyszerű táblázatba foglalhatóság miatt az egyes szempontokat kóddal fogom ellátni. Ezeket a következő táblázat tartalmazza. Értékelési szempontok a szükséges követelmények teljesítése
C1
megvalósíthatóság
C2
várható ráfordítás mértéke
C3
méret
C4
lineáris mozgás biztosítása
C5
biztonságos működés (kenőanyag elvezetés, tömíthetőség)
C6 2. táblázat Az értékelési szempontok
51
Értékelési szempontok
A változat kódja
C1
C2
A
C3
C4
C5
C6
Érték
Nem alkalmazható szerszámgép vezetékként Nem alkalmazható szerszámgép vezetékként
B C
1
2
3
4
2
2
14
D
1
2
2
1
1
2
9
E
1
2
1
3
2
2
11
F
1
2
4
5
2
1
15
G
2
2
5
5
3
3
20
H
1
1
1
2
1
1
7
3. táblázat Egyes típusok értékelése Tehát az értékelemzés után kiválasztott optimális változat a „H”-vel jelölt lesz, amelyre a következő fejezetben fogom a méretezést elvégezni.
7.5 A kiválasztott megoldás méretezése Mivel a szerszámgép tömege 15 tonna, aminek körülbelül az egyharmada a vezeték terhelése beleszámítva a forgácsolási erőket is, ezért számolhatunk azzal, hogy a fellépő terhelés 5000 kg, azaz 50000 N. Az egyszerűbb számítás érdekében ezt osztom néggyel, és így egyetlen papucsot fogok méretezni. Fontos még a kenőanyag viszkozitása a számítások elvégzéséhez. Én ehhez MOL Hydro HV 46 típusú kenőolajat fogom választani, amelynek viszkozitása 40 °C -on 45,1 mm2/s
A tervezés kiindulási adatai:
A terhelő erő: Gyorsjárati sebesség: Hőátadási tényező: Kenőanyag sűrűség: Kenőanyag fajhője: Kenőanyag viszkozitása Környezeti hőmérséklete:
F = 12500 N u = 48 m / min = 80 cm / s α = 16 kcal / m2 °C ρ = 0,9 ∙ 10−3 kg/cm3 c = 0,45 J / kg°C υ = 45,1 mm2/s t0 = 25°C 52
Olajtartály hőmérséklete:
tt = 40°C
Nyomásviszony: A szivattyú mechanikai hatásfoka: A csapágyrés nagysága:
β = 0,5 η’= 0,8 h0 = 0,003 mm
A csapágykamra kialakításnak egy hosszméretekkel arányos kialakítás választottam. A csapágyfelületet az előzőekben bemutatott Matlab program segítségével határoztam meg, addig növelve a csapágy felületét, míg a szükséges szivattyúnyomás egy átlagos szivattyú által is teljesíthető szintre nem csökkent. Négy darab különálló papucsot fogok alkalmazni, amelyeken 4-4 csapágykamra lesz kialakítva, amely felel a függőleges irányú erők felvételéért. A 4 csapágykamra együttes felületét 5600-ra választva a szükséges szivattyúnyomás 90 bar körül alakul, amit a mai szivattyúk könnyen teljesítenek. 𝑝𝑠𝑧 =
4𝐹 4 ∙ 12500 𝑁 = = 8,9 𝑀𝑃𝑎 = 89 𝑏𝑎𝑟 𝐴 5600 𝑚𝑚2
𝑝𝑘 = 𝑝𝑠𝑧 ∙ 𝛽 = 89 𝑏𝑎𝑟 ∙ 0,5 = 44,5 𝑏𝑎𝑟 A következő ábrán mutatok be egy olyan kialakítást, amellyel a fent kiszámolt 5600 mm2 csapágyfelület elérhető.
23. ábra Egy csapágypárna felülete Ebből megkapjuk a tömítőfelület méretét is, ami 100 mm2*30 mm2-70 mm2*20 mm2=1600 mm2. Ezzel a kialakítással a következő diagramok segítségével meghatározzuk a terhelési tényezőt és a folyadékmennyiség tényezőt. A diagrammok olvasásához szükséges még az oldalak aránya, ami körülbelül 1:3, tehát ezt a görbét kell kiválasztanunk, valamint a x/X arány, ami pedig körülbelül 0,7, tehát ebből kell kiindulni a diagram leolvasása során.
53
Terhelési tényező: Folyadékmennyiség tényező:
elmozdulási tényező:
af = 0,7 qf = 4,2
F 12500N = = 0,36 af ∙ A ∙ psz 0,7 ∙ 5600mm2 ∙ 89 bar ∙ 0,1
Ezután meghatározható a terhelt állapothoz tartozó excentricitás a következő ábra segítségével.
24. ábra Az excentricitás meghatározása Ezután számolhatók a terhelés hatására megváltozott résméretek: ℎ1 = ℎ0 (1 − 𝜀) = 0,03 𝑚𝑚(1 − 0,27) = 0,022 𝑚𝑚 54
ℎ2 = 2ℎ0 − ℎ1 = 2 ∙ 0,03 𝑚𝑚 − 0,022 𝑚𝑚 = 0,038 𝑚𝑚 Szükséges számolnunk a méretezés folytatásához a dinamikai viszkozitást kps/cm2 mértékegységben:
𝜂=
𝜐 ∙ 10−8 = 1,1
𝑚𝑚2 𝑠 ∙ 10−8 = 41 ∙ 10−8 𝑘𝑝𝑠/𝑐𝑚2 1,1
45,1
Terheletlen állapotban a kenőanyag szükséglet: 𝑄0 = 𝑞𝑓 𝑎𝑓
ℎ03 (0,003𝑐𝑚)3 𝑐𝑚3 𝑝𝑘 = 4,2 ∙ 0,7 ∙ 44,5 𝑏𝑎𝑟 = 8,6 𝑘𝑝𝑠 𝜂 𝑠 41 ∙ 10−8 𝑐𝑚2
A súrlódási veszteség, ami megegyezik a szivattyúveszteséggel terheletlen állapotra: 𝑃𝑠0 = 𝑃𝑠𝑧0
𝑐𝑚 2 𝑈2 𝑘𝑝𝑠 (80 𝑠 ) 𝑐𝑚𝑘𝑝 −8 =𝜂 𝐴𝑡 = 41 ∙ 10 16𝑐𝑚2 = 14 = 1,4 𝑊 2 ℎ0 𝑐𝑚 0,003 𝑐𝑚 𝑠
A következőkben meghatározzuk a terhelt állapotra vonatkozó módosító tényezőket, amelyek segítségével kiszámítható a terhelés alatti olajszükséglet és súrlódási veszteség. Először a kh0 értékét kell megnézni a nyomásviszony függvényében a következő ábra segítségével.
25. ábra Méretezési állandók meghatározása
55
Ezután a kh0 értékéből meghatározható a h1 és h2 résméretek esetén érvényes résállandó 𝑘ℎ1 = 𝑘ℎ0
ℎ1 0,022 𝑚𝑚 = 1∙ = 0,74 ℎ0 0,030 𝑚𝑚
𝑘ℎ2 = 𝑘ℎ0
ℎ2 0,038 𝑚𝑚 = 1∙ = 1,26 ℎ0 0,030 𝑚𝑚
A táblázatból ezek segítségével könnyen leolvashatók a következő állandók: ß
ks
kQ
kp
kh0
0,5
0,75
0,5
0,25
kh1
0,7
0,82
0,3
0,2
kh2
0,3
0,5
0,7
0,2
A terhelt állapotra vonatkozó kenőanyagfogyasztása egy csapágykamrának: 𝑐𝑚3 3 8,6 𝑄0 𝑠 (0,3 + 0,7) = 17,2 𝑐𝑚 𝑄= (𝑘𝑄1 + 𝑘𝑄2 ) = 𝑘𝑄0 0,5 𝑠 Ezt szükséges megszoroznunk az összes csapágypárna számával, ami 16 db: 𝑄𝑡𝑒𝑙𝑗𝑒𝑠 = 𝑁 ∙ 𝑄 = 16 ∙ 17,2
𝑐𝑚3 𝑐𝑚3 𝑙 = 275,2 = 16,5 𝑠 𝑠 𝑚𝑖𝑛
A szivattyúveszteség egy csapágykamrán: 𝑃𝑠𝑧 =
𝑃𝑠𝑧0 1,4 𝑊 (𝑘𝑃1 + 𝑘𝑃2 ) = (0,2 + 0,2) = 2,24 𝑊 𝑘𝑃0 0,25
A súrlódási veszteség egy csapágykamrán: 𝑃𝑠 = 𝑃𝑠0 ∙ ℎ0 (
1 1 1 1 + ) = 1,4𝑊 ∙ 0,003𝑐𝑚 ( + ) = 3𝑊 ℎ1 ℎ2 0,0022 𝑐𝑚 0,0038 𝑐𝑚
Egy csapágypárna összvesztesége: 𝑃ö𝑠𝑠𝑧 = 𝑃𝑠𝑧 + 𝑃𝑠 = 3 𝑊 + 2,24 𝑊 = 5,24 𝑊 A teljes csapágyazás összevesztesége: 𝑃ö𝑠𝑠𝑧,𝑡𝑒𝑙𝑗𝑒𝑠 = 𝑁 ∙ 𝑃ö𝑠𝑠𝑧 = 16 ∙ 5,24 𝑊 = 84 𝑊 A csapágy merevsége terheletlen állapotban: 𝑆0 =
3𝐹 3 ∙ 12500𝑁 𝑁 (1 − 𝛽) = (1 − 0,5) = 6,25 ∙ 105 ℎ0 0,03 𝑚𝑚 𝑚𝑚
56
A csapágy merevsége terhelés alatt: 𝑁 6,25 ∙ 105 𝑚𝑚 𝑆0 𝑁 (𝑘𝑆1 + 𝑘𝑆2 ) = (0,82 + 0,5) = 11 ∙ 105 𝑆= 𝑘𝑆0 0,75 𝑚𝑚 A nyomókamrába belépő olaj hőmérséklete: 𝑡𝑘 = 𝑡𝑡 +
1 𝑝𝑠𝑧 𝑝𝑠𝑧 + 𝑝𝑘 ∙( ′ − ) = 43,8 °𝐶 𝜌 ∙ 𝑐 ∙ 42700 𝜂𝑠𝑧 2
A nyomókamrából kilépő olaj hőmérséklete: 𝑝𝑘 𝜌 ∙ 𝑢2 1 𝑡𝑘𝑖 = 𝑡𝑘 + ( + ∙ 𝐴𝑡 ) ∙ = 46,5 °𝐶 𝜌∙𝑐 𝑄∙𝜌∙𝑐∙ℎ 42700 A csapágyrés átlagos hőmérséklete: 𝑡ℎ =
𝑡𝑘𝑖 + 𝑡𝑘 46,5 °𝐶 + 43,8 °𝐶 = = 45,2 °𝐶 2 2
Az olajtartály hőleadó felületének nagysága 𝐴𝑡𝑎
𝑐𝑚3 𝐽 −3 𝑘𝑔 𝑄𝑡𝑒𝑙𝑗𝑒𝑠 ∙ 3600 ∙ 𝜌 ∙ 𝑐 ∙ (𝑡𝑘𝑖 − 𝑡𝑘 ) 275,2 𝑠 ∙ 3600 ∙ 0,9 ∙ 10 𝑐𝑚3 ∙ 0,45 kg°C ∙ (46,5 °𝐶 − 43,8 °𝐶) = = = 4,34 𝑚2 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝛼 ∙ (𝑡𝑡 − 𝑡0 ) 16 2 ∙ (40 °𝐶 − 25 °𝐶) 𝑚 °𝐶
A kapillárison áthaladó kenőanyag hőmérséklete: 𝑡𝑐 = 𝑡𝑡 +
1 𝑝𝑠𝑧 𝑝𝑠𝑧 + 𝑝𝑘 ∙( ′ − ) = 42,6 °𝐶 𝜌 ∙ 𝑐 ∙ 42700 𝜂𝑠𝑧 2
Kiszámoljuk a k0 értékét:
𝑘0 =
(0,003 𝑐𝑚)3 ℎ3 ∙ 𝑎 ∙ 𝑞 = ∙ 0,7 ∙ 4,2 = 7,93 ∙ 10−8 𝑐𝑚3 𝑓 𝑓 3 1 𝑘ℎ0
Felvesszük a következő aránypárt, a lamináris áramlás biztosítása miatt és behelyettesítjük: 𝑑0 1 = → 𝑙0 = 20𝑑0 𝑙0 20
3 7,93 ∙ 10−8 𝑐𝑚 3 ∙ 128 ∙ 20 𝑑04 ∙ 𝜋 = 2,7 ∙ 10−8 𝑐𝑚3 → 𝑑0 = √ = 0,04 𝑐𝑚 = 0,4 𝑚𝑚 128𝑙0 𝜋
57
A kapilláriscső átmérőjét 0,5 mm-re választom, amelyből kiszámolva a szükséges kapilláriscső hosszát:
𝑑04 ∙ 𝜋 (0,05 𝑐𝑚)4 ∙ 𝜋 𝑙0 = = = 1,93 𝑐𝑚 ≈ 20 𝑚𝑚 128 ∙ 𝑘0 128 ∙ 7,93 ∙ 10−8 𝑐𝑚3
7.6 A modell elkészítése A fenti számítások eredményeit felhasználva elkészítettem a hidrosztatikus vezeték gyártási dokumentációját a Creo nevű integrált tervezőrendszert felhasználva. Ebben első lépésben a háromdimenziós modellt hoztam létre, amelyről már egyszerűen létrehozhatók voltak az alkatrészrajzok és a darabjegyzék. A következőkben néhány szót szeretnék szólni a papucs gyárthatóságáról.
Hagyományos
eszközökkel,
forgácsolással
a
zsebeket
egyetlen
munkadarabból nehezen lehetne kimunkálni, ha két részben gyártjuk le és utólag csavarokkal fogjuk össze, akkor pedig a pontossággal és a szilárdsággal is adódhatnak problémák. Ezen okok miatt a következő megoldást javaslom. Az eredeti öntvényt a zsebek nélkül, azoknál kisebb méretben hozzuk létre, majd létrehozzuk a zsebek negatívját egy külön alkatrészből. Erre formaelválasztót viszünk fel, majd az öntvény és a negatív forma közé műgyantát fecskendezünk. A megszilárdulása után a zsebek elkészülnek, és a negatívot eltávolíthatjuk. A másik probléma a kenőanyag elvezetéssel adódik. Mivel a vezetéket az átlagosnál jobban is be kell burkolni, hogy a kenőanyag ne szennyeződjön és a felületek köze ne kerüljön por, forgács és egyéb anyagok, ezért nem szükséges a papucsot közvetlenül tömíteni, elegendő a talpon egy zsebet létrehozni, ahonnan az elfolyó kenőanyagot majd összegyűjtjük. A következő képeken az elkészült modellt mutatom meg.
58
26. ábra Az elkészült modell
8. ÖSSZEFOGLALÁS Diplomamunkám során megismertem a különböző lehetséges megoldásokat a szerszámgép vezetékeknél. Részletesen megvizsgáltam a hidrosztatikus vezetékek előnyeit, hátrányait és a szabadalom és piackutatás segítségével megismertem a jelenleg alkalmazott megoldásokat is. Dr. Kozma Mihály jegyzetének segítségével méreteztem egy lehetséges kialakítást. A méretezés automatizálása, gyorsítása érdekében készítettem egy Mathlab programot, amely segítségével
megtaláltam
az
optimális
kialakítást
és
ezt
megterveztem,
gyártási
dokumentációját elkészítettem. Ennek segítségével a megtervezett vezeték legyártható, alkalmazható egy már meglévő szerszámgép hagyományos szánjának a kiváltására. Továbbfejlesztési lehetőségeket abban látom, hogy az általam ajánlott kétkomponensű papucskialakítás gyártását lehetne egyszerűsíteni, esetleg olyan megoldás választása, amely forgácsolással elkészíthető. Másik lehetőség a továbbfejlesztésre a papucs teljes mértékű tömítésének megoldása, hogy a vezeték beburkolásakor kevésbé szigorú követelményeknek kelljen megfelelni.
59
9. IRODALOMJEGYZÉK [1] Dr. Velezdi György, Szerszámgépek I. előadás jegyzet [2] Juhász Miklós, Szerszámgépek vezetékezése I. – Csúszó- és LM-típusú vezetékek http://www.cnc.hu/2014/11/szerszamgepek-vezetekezese-i-csuszovezetekek/ [3] Dr. Jakab Endre, Szerszámgépek (Esztergépek), Miskolc, 2011 [4] Dr. Jakab Endre, Szerszámgépek (Esztergépek), Miskolc, 2011 [5] Dr. Patkó Gyula, Szerszámgépek előadás jegyzet [6] http://www.schaeffler.com/remotemedien/media/_shared_media/03_worldwide/02_websites_worl dwide/great_britain/RUE- E_linear_recirculating_roller_bearing_and_guideway_assembly.jpg [7] Dr. Magyar József, Dr. Kozma Mihály, Dr. Czégl József, Hidrosztatikus csapágyak méretezése [8] http://machinedesign.com/linear-motion/hydrostatic-linear-guiding-standard-design-spaces [9] http://machinedesign.com/site-files/machinedesign.com/files/uploads/2013/05/FIG1-Schaefflervibration-damp.jpg [10] F. M. Stansfield, Hydrostatic Bearings for Machine Tools and similar applications, 1970 [11] F. M. Stansfield, Hydrostatic Bearings for Machine Tools and similar applications, 1970 [12] F. M. Stansfield, Hydrostatic Bearings for Machine Tools and similar applications, 1970 [13] http://www.zollern.de/fileadmin/Upload_Konzernseite/Downloads/Datenblaetter/Hydrostatische_ Lager/Datenblatt%20Kompaktfuehrung.pdf [14] http://www.designworldonline.com/uploads/ImageGallery/schaeffler%20one.jpg [15] http://tacrockford.com/img/application-hydrostatic-linear-motor-guide-tacpxxl826.png [16] http://patentimages.storage.googleapis.com/pages/US3355990-0.png [17] https://patentimages.storage.googleapis.com/US20140112603A1/US20140112603A1-20140424D00003.png [18] https://patentimages.storage.googleapis.com/US20140112603A1/US20140112603A1-20140424D00002.png [19] http://patentimages.storage.googleapis.com/US20100067834A1/US20100067834A1-20100318D00000.png [20] http://patentimages.storage.googleapis.com/US20100067834A1/US20100067834A1-20100318D00002.png [21] https://patentimages.storage.googleapis.com/US7101080B2/US07101080-20060905-D00008.png [22] Dr. Magyar József, Dr. Kozma Mihály, Dr. Czégl József, Hidrosztatikus csapágyak méretezése [23] Dr. Magyar József, Dr. Kozma Mihály, Dr. Czégl József, Hidrosztatikus csapágyak méretezése [24] Dr. Magyar József, Dr. Kozma Mihály, Dr. Czégl József, Hidrosztatikus csapágyak méretezése [25] Dr. Magyar József, Dr. Kozma Mihály, Dr. Czégl József, Hidrosztatikus csapágyak méretezése [26] Dr. Magyar József, Dr. Kozma Mihály, Dr. Czégl József, Hidrosztatikus csapágyak méretezése [27] Dr. Magyar József, Dr. Kozma Mihály, Dr. Czégl József, Hidrosztatikus csapágyak méretezése
60
[28] http://www.awea.com/awea_en/milling/5-axes/fmv/construction.htm [29] Kazsik Tamás, Gördülőpapucs család tervezése, szakdolgozat, Miskolc, 2013 [30] Szarka Tamás, Hidrosztatikus vezetékek méretezése, szakdolgozat, Miskolc, 2013
61
