VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING

ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN

KONSTRUKCE EXPERIMENTÁLNÍHO ZAŘÍZENÍ PRO VIZUALIZACI AXIÁLNÍCH SIL VE ŠROUBOVÝCH SPOJÍCH DESIGN OF EXPERIMENTAL DEVICE FOR VISUALIZATION OF AXIAL FORCES IN BOLTED CONNECTIONS

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE

Tomáš Ptáček

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2016

doc. Ing. Petr Svoboda, Ph.D.

Zadání bakalářské práce Ústav:

Ústav konstruování

Student:

Tomáš Ptáček

Studijní program:

Strojírenství

Studijní obor:

Základy strojního inženýrství

Vedoucí práce:

Ing. Petr Svoboda, Ph.D.

Akademický rok:

2015/16

Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce:

Konstrukce experimentálního zařízení pro vizualizaci axiálních sil ve šroubových spojích Stručná charakteristika problematiky úkolu: Cílem práce je konstrukční návrh demonstrační aparatury pro vizualizaci axiálních sil ve šroubových spojích s těmito parametry: měření axiální síly ve šroubovém spoji pomocí snímače síly, velikost šroubu M20, počet šroubových spojů 4 ks, maximální hodnota axiální síly 160 kN, způsob utahování ruční, hydraulické. Cíle bakalářské práce: Bakalářská práce musí obsahovat: (odpovídá názvům jednotlivých kapitol v práci) 1. Úvod 2. Přehled současného stavu poznání 3. Analýza problému a cíl práce 4. Koncepční řešení 5. Konstrukční řešení 6. Diskuze 7. Závěr 8. Seznam použitých zdrojů Forma práce: průvodní zpráva, výkresy součástí, výkres sestavení Typ práce: konstrukční Účel práce: výzkum a vývoj Rozsah práce: cca 27 000 znaků (15 - 20 stran textu bez obrázků). Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně / Technická 2896/2 / 616 69 / Brno

Zásady pro vypracování práce: http://dokumenty.uk.fme.vutbr.cz/BP_DP/Zasady_VSKP_2016.pdf Šablona práce: http://dokumenty.uk.fme.vutbr.cz/UK_sablona_praci.zip Seznam literatury: Bickford, J.,H. (1995): An introduction to the design and behaviour of bolted joints, Third edition, Marcel Decker inc., New York, ISBN 0-8247-9297-1. Wald, F., Rozlívka, L., Sokol, Z., Šertler, H. (2002): Vliv maziva na utahování šroubů třecích spojů, v Konstrukce č. 4/2002, str. 4-7, ISSN 1212-8762.

Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2015/16

V Brně, dne 26.11.2015

L. S.

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. ředitel ústavu

doc. Ing. Jaroslav Katolický, Ph.D. děkan fakulty

Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně / Technická 2896/2 / 616 69 / Brno

ABSTRAKT V této bakalářské práci je zhotoven konstrukční návrh experimentálního zařízení, které bude schopno měřit předpětí ve šroubových spojích. V první části práce je provedena rešerše o současném stavu poznání šroubových spojů v závislosti na použití různých typů maziva. Na základě těchto informací jsou navrženy 3 konstrukční varianty. Zvolená varianta je detailně popsána se svými výhodami i nevýhodami. Finální návrh je zpracován ve formě výkresové dokumentace a elektronických 3D modelů.

KLÍČOVÁ SLOVA Šroubové spojení, axiální síly, mazivo, tření, předpětí, tenzometr

ABSTRACT In the bachelor's thesis is created design experimental device that will be able to measure preload in bolted joints. The first part of thesis deals with research study of the current state of knowledge of bolted joints, depending on the use of different types of lubricants. According to informations, 3 different variants are introduced. The selected variant is described in detail with their advatnages and disadvantages. The final design is developed into technical drawing and electronic 3D models.

KEYWORDS Bolted joints, axial forces, lubricant, friction, preload, tensometer

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE PTÁČEK, T. Konstrukce experimentálního zařízení pro vizualizaci axiálních sil ve šroubových spojích. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2016. 46 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Petr Svoboda, Ph.D. strana

5

strana

6

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Čestně prohlašuji, že jsem bakalářskou práci Konstrukce experimentálního zařízení pro vizualizaci axiálních sil ve šroubových spojích vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce Ing. Petra Svobody, Ph.D. a uvedl v seznamu literatury všechny zdroje.

V Brně, dne 21.5.2016

______________________ Ptáček Tomáš

strana

7

strana

8

PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval svému vedoucímu práce panu Ing. Petru Svobodovi, Ph.D. za odborné vedení, pomoc a ochotu při konzultacích, kterými přispěl k vypracování této práce. Dále bych rád poděkoval rodině a přátelům, kteří mne během studia podporovali. strana

9

OBSAH

OBSAH ÚVOD ........................................................................................................................ 11 1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ .............................................. 12 1.1 Historie............................................................................................................. 12 1.2 Šroubové spoje ................................................................................................. 13 1.2.1 Rozdělení druhů závitů ............................................................................. 14 1.2.2 Základní pojmy ......................................................................................... 15 1.2.3 Silové poměry ........................................................................................... 16 1.2.4 Utahovací moment .................................................................................... 18 1.3 Mazivo ............................................................................................................. 20 1.3.1 Parametr mazání ....................................................................................... 21 1.3.2 Režimy mazání ......................................................................................... 21 1.3.3 Funkce maziv ............................................................................................ 24 1.3.4 Druhy maziv ............................................................................................. 24 1.4 Vliv maziva na šroubové spoje ........................................................................ 25 2 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE .......................................................... 27 2.1 Analýza problému ............................................................................................ 27 2.2 Cíl práce ........................................................................................................... 27 3 KONCEPČNÍ ŘEŠENÍ ........................................................................................ 28 3.1 Varianta A ........................................................................................................ 28 3.2 Varianta B ........................................................................................................ 29 3.3 Varianta C ........................................................................................................ 30 4 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ .................................................................................. 31 4.1 Stojan ............................................................................................................... 31 4.2 Příruba .............................................................................................................. 33 4.3 Tenzometrický snímač ..................................................................................... 33 4.3.1 Deformační člen ........................................................................................ 34 4.4 Výsledná konstrukce ........................................................................................ 36 4.5 Způsoby utahování ........................................................................................... 37 5 DISKUZE .............................................................................................................. 38 6 ZÁVĚR .................................................................................................................. 39 7 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ ..................................................................... 40 8 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN ..................... 43 9 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ ....................................................................... 44 10 SEZNAM TABULEK ......................................................................................... 45 11 SEZNAM PŘÍLOH............................................................................................. 46

strana

10

ÚVOD

ÚVOD Šroub jako prvek byl znám již v antickém Řecku, kdy se využíval k přepravě vody. Ovšem jeho využití se v dnešní době zaměřuje především na rozebíratelné spoje. Při spojování součástí pomocí šroubových spojů, je velmi důležité, aby byl spoj dostatečně utažen a vzniklo tak potřebné předpětí. Nízké předpětí neplní funkci spoje, naopak příliš vysoké vede k porušení šroubu. Předpětí je zpravidla kontrolováno pomocí momentového klíče. Moment ale nemá přímou vazbu na sílu v předpětí, protože na vztah mezi momentem a silou předpětí mají velký vliv různé faktory, zejména tření. Šroub je tvarově velmi složitý prvek, proto u něj vzniká vysoké tření zejména na závitu, který má velkou styčnou plochu. Důležité je proto mazání, díky kterému se snáze dosáhne požadovaného předpětí za použití malých momentů. Volba vhodného typu maziva má za následek snížení koeficientu tření a zvýšení předpětí ve spoji při menším utahovacím momentu. Velký podíl v této části má i povrchová úprava spojovacích elementů. Motivací mazání je nejen snížení tření, ale i snížení opotřebení spoje. Práce je zaměřena na návrh prototypu měřicího zařízení pro měření předpětí ve šroubech. Zařízení se dále může využívat k výzkumným účelům při zkoumání vlivu jednotlivých druhů maziva na velikost předpětí ve šroubových spojích.

strana

11

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ

1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 1.2

1.1 Historie Šrouby se dnes berou jako samozřejmost a málokdo se zamýšlí nad jejich vznikem. Je to možná i proto, že o jeho vzniku se dochovalo pouze několik publikací, které popisují jednoduchá zařízení, jejichž hlavním prvkem byla šroubovice. Ta se využívala hojně již v době starověku, a to hlavně ve stavebnictví jako dekorace sloupů u chrámů. Později šroub pronikl i do strojírenství. V dnešní době je znám jako spojovací materiál a je tak i z velké části využíván. Málokdo však ví, že se dá využít i k vyvození pohybu. [1] Tuto funkci také plnil první šroub již ve starověku. Archimédes (287-212 př. n. l.), řecký matematik, fyzik a mechanik, jenž je považován za vynálezce šroubu, jej využíval ve vodohospodářství k přečerpávání vody (Obr. 1 ). Z toho také vyplývá název „Archimedův šroub“, který se dodnes využívá v lodní dopravě. Ačkoli je Archimédes považován za prvního vynálezce šroubu, dochovali se zmínky o tom, že podobný nástroj znali již staří Egypťané. Sám Archimedes nezanechal o své práci žádné písemnosti, neboť v té době se tento obor nepovažoval za důstojný řeckého svobodomyslného člověka. [2]

Obr. 1 Nákres Archimedova šroubu [3]

Na Archiméda navázal další velký myslitel své doby Leonardo da Vinci (14521519) [1], který šroubová spojení využíval ve svých vynálezech. V jednom z jeho nákresů nakreslil lis na olivový olej. Pomocí převodu ozubenými koly a šroubu stlačoval v lisu velkou masu oliv. K pohonu využíval koňské síly, tudíž síla, která stlačovala masu oliv, musela být velká.. Kromě lisu na olivový olej také zkonstruoval tiskařský lis (Obr. 2 ), kde kromě šroubu využil i ozubeného převodu. Tím dosáhl vyššího osového tlaku ve šroubu za použití minimální vstupní síly. Šroub využil i při konstrukci bagru k vyjímání kamenů z řeky.

strana

12


Obr. 2 Model da Vinciho tiskařského lisu [4]

Využití Archimedova šroubu v lodní dopravě napadlo již v 16. století Leonarda da Vinciho. O tomto také dlouho přemýšlel český konstruktér a lesník Josef Ressel (1793-1857). Dokázal stanovit přesný tvar lodního šroubu, jeho velikost a umístění na lodi – umístil jej vodorovně pod záď lodi před kormidlo (Obr. 3 ). Když Ressel v roce 1826 zjistil, že se zkoušky lodního šroubu daří, zažádal si o jeho patentování. Na své pokusy ovšem potřeboval peníze, které získal v roce 1829 od obchodníka Otavia Fontany. A tak se 4. srpna vydala na zkušební plavbu loď pojmenovaná Civetta poháněna Resselovým lodním šroubem. [5], [6]

Obr. 3 Umístění Resselova lodního šroubu [5]

Šroub a jeho geometrie již byla známa a k dalšímu vývoji nedocházelo. Naopak docházelo k rozvoji technologie jeho výroby. Dříve se vyráběly ručně a pomocí jednoduchých přístrojů. V dnešní době se upřednostňuje strojová výroba jako je soustružení, frézování, či tváření. Ovšem i nadále se využívá tvorba závitů pomocí ručních závitníků. [1], [7]

1.2 Šroubové spoje

1.2

Šrouby jsou jedny z nejpoužívanějších součástí dnešní doby. Používají se hlavně při rozebíratelných spojení dvou nebo více dílů. Šroubové spoje se mohou dělit na spoje s předpětím a spoje bez předpětí. V praxi se více využívají spoje s předpětím.

strana

13


Šroubové spoje můžeme rozdělit také podle typu použití. Může se použít šroub s hlavou a maticí (Obr. 4a), šroub s hlavou bez matice se závitem ve spojované součásti (Obr. 4b) a závrtný šroub bez hlavy (Obr. 4c). [8], [9] [10]

Obr. 4 Druhy šroubových spojů [10] 1.2.1

1.2.1 Rozdělení druhů závitů Každý šroub se od sebe liší typem závitu. Závity jsou normalizovány, aby byla součástka vyměnitelná. Máme dva základní typy šroubových spojů - spojovací a pohybové. Pohybové šrouby nesmí svým profilem plnit podmínku samosvornosti. Nejpoužívanější je závit čtvercový (Obr. 5a), lichoběžníkový rovnoramenný (Obr. 5b) a lichoběžníkový nerovnoramenný (Obr. 5c). Spojovací šrouby spojují dvě a více součástí. Nejpoužívanější závit je závit metrický (Obr. 5d), jehož profil je tvořen rovnoramenným trojúhelníkem. U nás méně využívaný je Whitworthův závit (Obr. 5e). Využívá se hlavně při spojování trubek. Jeho rozměry jsou udávány v palcích. Kromě Whitworthova závitu se při spojování trubek využívá také trubkový závit (Obr. 5f). Profil může být válcový nebo kuželový. Jeho míry bývají udávány v palcích a hlavní rozměr udává světlost trubky, nikoli průměr závitu. [8], [11]

Obr. 5 Rozdělení závitů

strana

14


1.2.2 Základní pojmy

1.2.2

Základní pojmy závitu (Obr. 6) stanovuje norma ČSN 01 4001. Základní profil – teoretický profil závitu v osové rovině, který je určen rozměry a úhly. Tvar základního profilu je odvozen ze základního trojúhelníku o výšce H. Rozteč P – je vzdálenost mezi dvěma sousedními závity. Velký průměr (šroubu d, matice D) – průměr myšleného válce, který opisuje hřbety vnějšího závitu. Malý průměr (šroubu d1, matice D1) – je průměr myšleného válce vepsaného dnům vnějšího závitu. Střední průměr (šroubu d2, matice D2) – je průměr myšleného válce souosého se závitem, jehož každá přímka protíná profil závitu tak, aby se průsečnice promítla do osy závitu jako úsečka o délce P/2. Úhel profilu závitu α – je úhel, který svírají dva protilehlé boky. Jmenovitý průměr – je průměr, ke kterému se vztahují úchylky. Symbol D se využívá pro označení vnitřního závitu (matice) a d pro označení vnějšího závitu (šroubu). [9]

Obr. 6 Základní názvosloví šroubu [9]

strana

15


1.2.3

1.2.3 Silové poměry Jak již konstatoval Newton, každá akce vyvolává reakci a to samé platí při vyvození pohybu. V reálných podmínkách vyvození pohybu vyvolá reakci tření neboli odpor podložky vůči vyvozenému pohybu. To samé platí i u šroubových spojů, kdy dráha (vyřezaná šroubovice) klade odpor matici. Pokud je tření natolik velké, že zamezuje matici samovolný pohyb, jedná se o závit samosvorný. Samosvornost je někdy i nežádoucí, a to u pohybových šroubů. Proto je vhodné si odvodit silové poměry ve šroubovém spoji, abychom zjistili, jak velké tření je potřeba, aby byl šroub samosvorný. [12] Jako příklad využijeme pohybový šroub s jednochodým závitem o středním průměru d2, rozteči P a úhlu stoupání ψ, který bude zatížen silou F (Obr. 7 ).

Obr. 7 Nákres pohybového šroubu [9]

Na Obr. 8 je zobrazen rozvinutý závit o délce jedné otáčky matice. Přepona trojúhelníku tvoří závit. Jeho základnu tvoří rozvinutá kružnice a jeho výšku stoupání závitu. Síla potřebná pro zvedání břemene FZV působí doprava (Obr. 8 a) a síla potřebná ke spouštění FSP doleva (Obr. 8 b). Třecí síla působí vždy proti pohybu.

Obr. 8 Silový rozbor rozvinutého závitu: a) zvedání břemene, b) spouštění břemene [9]

strana

16


Soustava je ve statické rovnováze, proto si zobrazené silové působení můžeme rozložit do směru x a y. ∑ 𝐹𝑥 : 𝐹𝑍𝑉 − 𝑁𝑠𝑖𝑛𝜓 − 𝑓𝑁𝑐𝑜𝑠𝜓 = 0 , ∑ 𝐹𝑦 : 𝐹 + 𝑓𝑁𝑠𝑖𝑛𝜓 − 𝑁𝑐𝑜𝑠𝜓 = 0 .

(1) (2)

Podobně lze sepsat rovnice statické rovnováhy i pro stav, kdy se břemeno spouští. Nyní si vyjádříme z rovnice (2) neznámou N a dosadíme do rovnice (1). Z té si vyjádříme neznámou FVZ a vznikne rovnice:

𝐹𝑍𝑉 =

𝐹(𝑠𝑖𝑛𝜓+𝑓𝑐𝑜𝑠𝜓)

(3)

𝑐𝑜𝑠𝜓−𝑓𝑠𝑖𝑛𝜓

Nakonec si vyjádříme točivý moment za pomoci součinu síly FVZ a ramene, které tvoří střední poloměr d2/2.

𝑀𝑍𝑉 =

𝐹𝑑2 𝑃ℎ +𝜋𝑓𝑑2 2

(

𝜋𝑑2 −𝑓𝑃ℎ

),

(4)

kde MVZ je moment potřebný k překonání tření v závitech a pro zvedání břemene. Z rovnice (4) je vidět, že k tomu aby byl šroub samosvorný, musí být moment MVZ kladný. Proto musí platit podmínka samosvornosti: 𝜋𝑓𝑑2 > 𝑃ℎ

(5)

Nerovnici (5) můžeme ještě upravit tak, že obě strany vydělíme πd2, a s využitím znalosti goniometrie z trojúhelníku na Obr. 8 Ph/ πd2 = tan ψ dostaneme podmínku samosvornosti ve tvaru: 𝑓 > 𝑡𝑎𝑛𝜓

(6)

Můžeme tedy díky rovnici (6) říct následující tvrzení. Aby byl šroub se čtvercovým závitem samosvorný, musí být tření v závitu vyšší než tangens úhlu stoupání. Předchozí uvedené rovnice jsou odvozeny pouze pro čtvercový závit. Pro jiné typy závitů, jejichž boky svírají nenulový úhel je nutno rovnice nepatrně upravit. Normálová síla je v tomto případě odkloněná vůči ose šroubu, což způsobuje úhel stoupání ψ, a úhlu profilu závitu α. Třecí síla se tedy zvyšuje díky úhlu boku závitu. Proto je nutné všechny členy obsahující součinitel tření v rovnici (4) vydělit kosinem úhlu boku. Pro souměrné profily závitů (kde α = 2β) výrazem cos (α/2). Potom tedy dostaneme: 𝛼

𝑀𝑍𝑉 =

𝐹𝑑2 𝑃ℎ +𝜋𝑓𝑑2 sec( 2 ) 2

[

𝛼

𝜋𝑑2 −𝑓𝑃ℎ sec( 2 )

𝛼

]=

𝐹𝑑2 𝑃ℎ cos( 2 )+𝜋𝑓𝑑2 2

[

𝛼

𝜋𝑑2 cos( 2 )−𝑓𝑃ℎ

]

(7)

Podmínka samosvornosti tedy vypadá následovně: 𝛼

𝜋𝑓𝑑2 > 𝑃ℎ cos( 2 )

(8)

strana

17


Opět nerovnici vydělíme πd2 a využijeme vztahu Ph/ πd2 = tan ψ. Dostaneme podmínku samosvornosti ve tvaru: 𝛼

𝑓 > 𝑡𝑎𝑛𝜓cos( 2 )

(9)

Výše uvedené vztahy jsou pouze přibližné a pro větší úhel stoupání je potřeba uvážit přesný vliv úhlu stoupání. [9]

Většinou se musí při návrhu nebo kontrole pohybových šroubů uvažovat ještě jedna složka momentu. Obvykle vzniká na mezikruhové dosedací ploše šroubu tření. Elementární složky síly jsou soustředěné na středním průměru 𝑑0 . Je-li 𝑓0 součinitel tření, pak moment potřebný k překonání tření je

𝑀𝑂 = 1.2.4

𝐹𝑓𝑂 𝑑0

(10)

2

1.2.4 Utahovací moment Jak již bylo vysvětleno, svěrná síla je ve šroubových spojích velmi důležitým faktorem. Ovšem nyní se musíme zamyslet, jak danou sílu předpětí vytvořit. Existuje několik způsobů, jak kontrolovat sílu předpětí. Pokud je možné při montáži přesně měřit celkovou délku šroubu, lze vypočítat sílu v předpětí pomocí 𝐹𝑙 vztahu 𝛿 = 𝑖 . Z uvedeného vztahu se vypočítá potřebné prodloužení 𝛿. Matice se 𝐸𝑆 následně utahuje, než se dosáhne spočítaného prodloužení. To zaručuje dosažení požadovaného předpětí. V mnoha případech je měření šroubu nepraktické nebo takřka nemožné. Například závitová díra. V takovém případě je nutné určit moment potřebný k vyvození daného předpětí ve spoji. I když se součinitel tření může v různých případech lišit, můžeme celkem dobře odhadnout moment potřebný k vyvození síly předpětí pomocí rovnic (7) a (10). [9]

𝛼

𝑀=

𝐹𝑖 𝑑2 𝑃ℎ +𝜋𝑓𝑑2 sec( 2 ) 2

[

𝛼 𝜋𝑑2 −𝑓𝑃ℎ sec( 2 )

]+

𝐹𝑖 𝑓𝑜 𝑑0 2

(11)

𝑃

Opět využijeme známého vztahu tan(𝜓) = 𝜋𝑑ℎ a vydělíme čitatele i jmenovatele prvního výrazu 𝜋𝑑2 a dostaneme vztah:

𝑀=

strana

18

𝐹𝑖 𝑑2 2

[

2

𝛼 2

𝑡𝑎𝑛𝜓+𝑓 sec( ) 𝛼 1−𝑓(𝑡𝑎𝑛𝜓) sec( 2 )

]+

𝐹𝑖 𝑓𝑜 𝑑0 2

(12)


Dále můžeme říct, že u šroubů a matic se šestihrannou hlavou je střední průměr 𝑑+1,5𝑑 stykové plochy přibližně 𝑑0 = 2 = 1,25𝑑. Po dosazení tohoto výrazu dostaneme: 𝛼

𝑡𝑎𝑛𝜓+𝑓 sec(2)

𝑑2

𝑀 = {2𝑑 [

𝛼

1−𝑓(𝑡𝑎𝑛𝜓) sec(2)

] + 0,625𝑓0 } 𝐹𝑖 𝑑

(13)

Výraz v závorkách můžeme nyní definovat jako součinitel utahovacího momentu K, který je závislý na součinitelích tření 𝑓0 a 𝑓. 𝛼

𝑑

𝐾 = 2𝑑2 [

𝑡𝑎𝑛𝜓+𝑓 sec(2)

𝛼

1−𝑓(𝑡𝑎𝑛𝜓) sec(2)

] + 0,625𝑓0

(14)

Rovnici (13) lze tedy nyní zapsat v jednodušším tvaru:

𝑀 = 𝐾𝐹𝑖 𝑑

(15)

Tab. 1 Součinitel utahovacího momentu K [13]

Úprava povrchu a stav šroubu

K

Šrouby z legované oceli

0,3

Strojní olej

0,21

Zinkovaný šroub

0,2

Mazáno grafitem

0,1

Mazáno MoS2

0,09

Jiná literatura [14] uvádí empirický vztah, který je v celkovém důsledku velmi podobný vztahu (15). Vychází se z energetického popisu povolování a utahování, který se upravuje na experimentálně ověřený vztah

𝑃

𝜇 𝑟

𝑡 𝑡 𝑀 = 𝐹𝑖 (2𝜋 + 𝑐𝑜𝑠𝛽 + 𝜇𝑛 𝑟𝑛 )

(16)

Kde Fi je síla v předpětí ve šroubu, P stoupání závitu, μt koeficient tření závitu, rt efektivní kontaktní poloměr závitů, β sklon závitu, μn koeficient tření matice a rn efektivní poloměr kontaktu mezi maticí a povrchem.

strana

19


Rovnice (16) ukazuje, že moment potřebný k vytvoření předpětí se skládá ze tří hlavních složek: 𝑃

- vliv stoupání závitu

𝑡 𝑡 𝐹𝑖 𝑐𝑜𝑠𝛽

𝜇 𝑟

- reakční složka tření pod hlavou

𝐹𝑖 𝜇𝑛 𝑟𝑛

- reakční složka tření v závitu

𝐹𝑖 2𝜋

Obr. 9 Poměr složek utahovacího momentu

Podíl jednotlivých složek znázorňuje Obr. 9 Největší podíl na tření mají složky ovlivňující tření pod hlavou a v závitu. Jejich snížení se dosahuje díky mazání šroubových spojů. 1.3

1.3 Mazivo Mazivo je nedílnou součástí každého stroje či zařízení. Lidé využívají maziva již dlouhou dobu, ovšem výzkum maziva začal teprve nedávno. V 70. letech 20. století proto vznikla nová vědní oblast s názvem tribologie. [15] Název je odvozen ze dvou řeckých slov „tribos“ a „logos“, což v překladu znamená věda o tření. Tribologie se zabývá vzájemným působením dvou povrchů při jejich relativním pohybu. [16] Třením se rozumí pasivní odpor, který vzniká při vzájemném kontaktu těles. V některých aplikacích je tření vyvozováno záměrně, jako jsou například brzdy. Ovšem ve většině případů je snaha tření minimalizovat. Třením se lidé zabývají již stovky let a během této doby byly stanoveny tři zákony tření. [17] „Tření je nezávislé na kontaktní ploše.“ „Tření je úměrné zatížení.“ „Tření závisí na drsnosti povrchu těles v třecím kontaktu.“

strana

20


1.3.1 Parametr mazání Při zkouškách valivých ložisek a ozubených kol bylo zjištěno, že opotřebení třecích povrchů nezáleží pouze na tloušťce mazacího filmu, ale na jejím poměru k redukované drsnosti povrchů. Tento poměr vyjadřuje parametr mazání Λ. Λ=

ℎ𝑚𝑖𝑛 𝑅𝑟𝑒𝑑

=

ℎ𝑚𝑖𝑛 √𝑅𝑞𝑎2 +𝑅𝑞𝑏2

1.3.1

, kde

hmin je minimální tloušťka mazacího filmu, Rred redukovaná drsnost třecích povrchů, Rq střední kvadratická drsnost třecích povrchů. Parametr mazání je hlavní parametr, kterým se řídí Stribeckova křivka (Obr. 10). Ta nám rozděluje všechny režimy mazání. [18], [19]

Obr. 10 Stribeckova křivka [18]

1.3.2 Režimy mazání Podle způsobu mazání rozeznáváme několik režimů mazání. Rozlišujeme je na režimy, při kterých dochází k oddělení třecích povrchů (hydrodynamické, hydrostatické a elastohydrodynamické) a režimy, při kterých dochází k bezprostřednímu styku mezi povrchy (mezné, smíšené a mazání tuhými mazivy). [18]

1.3.2

strana

21


Hydrodynamické mazání (HD) Jedná se o typ kapalinového mazání, při kterém se mezi kontakty vytváří souvislá vrstva maziva. Tato vrstva zabraňuje styku povrchových nerovností (Obr. 11). Tlak v mazací vrstvě vzniká kvůli relativnímu pohybu třecích ploch. Třecí povrchy musejí být navzájem skloněny, aby vytvářely klínovou mezeru. Minimální tloušťka mazacího filmu je hmin > 1 μm. Při tomto typu mazání povrchy nevykazují téměř žádné opotřebení. [19], [20]

Obr. 11 Hydrodynamické mazání [19]

Hydrostatické mazání Mazané plochy jsou od sebe odděleny silnou vrstvou maziva. Mazivo se z vnějšího zdroje přivádí pod tlakem mezi třené povrchy pomocí generátoru (Obr. 12). Vytvořený tlak musí být alespoň 2-4 krát větší než je zatížení. [21], [22]

Obr. 12 Parciální ložisko: 1 - čep, 2 - pánev, 3 - hydrostatická komora, 4 - reduktor tlaku, 5 - čerpadlo [21]

strana

22


Elastohydrodynamické mazání (EHD) Jedná se o režim kapalinového mazání, kde se třecí povrchy nacházejí v relativním pohybu. Kontakt provází vysoké zatížení na malé ploše a dochází k elastickým deformacím třecích povrchů (Obr. 13). Třecí povrchy jsou dokonale odděleny vrstvou maziva.

Obr. 13 Elastohydrodynamické mazání [19]

Mezné mazání Při tomto typu mazání jsou povrchy v bezprostřední blízkosti a dochází tak ke vzájemné interakci mezi nerovnostmi. Zatížení není přenášeno hydrodynamickým působením mazacího filmu, ale pouze velmi tenkou vrstvou maziva (Obr. 14). Tenká vrstva vzniká fyzikální absorpcí, chemisorpcí nebo chemickými reakcemi maziva s třecími plochami. Struktura mezného filmu je odlišná od struktury maziva a třecích povrchů. Tloušťka mazacího filmu se pohybuje h ≈ 1÷10 nm. [19], [23]

Obr. 14 Mezné mazání [39]

Smíšené mazání Při tomto režimu mazací film plně neodděluje třecí povrchy (Obr. 15). Dochází tedy ke vzájemné interakci mezi povrchovými nerovnostmi. Tyto nerovnosti se deformují a dochází k meznému mazání, zatímco v jiných oblastech dochází ke kapalinovému mazání. Smíšené mazání nastává při relativně malých rychlostech třecích povrchů, změnám směru pohybu nebo při velkém zatížení. Průměrná tloušťka mazacího filmu je h ≈ 0,01÷1 μm. [19], [23]

Obr. 15 Smíšené mazání [19]

strana

23


Mazání tuhými mazivy Využívá se u ložisek, které musejí pracovat za vysokých teplot. Jako tuhé mazivo se používá grafit nebo sulfid molybdeničitý. [9], [19] 1.3.3

1.3.3 Funkce maziv Základní funkcí maziva je snížení tření mezi dvěma povrchy. Ovšem málokdo ví, že mazivo plní i další důležité funkce: -

snižuje opotřebení součásti konzervuje mazané povrchy odvádí teplo zabraňuje zatuhnutí spoje těsní mazané povrchy vynáší cizí částice zabraňuje nepříjemným zvukům

Zároveň se od maziva vyžaduje šetrnost k životnímu prostředí, nízká odpornost a obtížná samozápalnost. [24] 1.3.4

1.3.4 Druhy maziv Podle konstrukce strojů, požadavků a jejich použití se využívají tři základní druhy maziva. Maziva kapalná, plastická a tuhá. Kapalná maziva Kapalná maziva jsou nejpoužívanějším typem maziva různých druhů, jako jsou rostlinné, živočišné a minerální. Využívají se hlavně jako mazací oleje nebo obráběcí kapaliny. Mazací oleje se využívají hlavně tam, kde je hospodárná návratnost zpět do místa mazání. [25] Plastická maziva Plastická maziva jsou tuhé, polotuhé až dvoufázové směsi kapalných olejů a zpevňovadla. Zpevňovadlo vytváří mřížkovou strukturu, jejíž prostor vyplní olej. Olej se následně uvolňuje na mazané plochy. Používají se obvykle tam, kde není vhodné použít mazací oleje. [25]

strana

24


Tuhá maziva Jedná se o tuhé látky ve formě šupinek nebo prášků, které se roztírají na třecích plochách. Mezi nejpoužívanější maziva patří grafit a sulfid molybdeničitý (MoS2). Mazací účinek grafitu a MoS2 je založen na jejich lamelové a krystalové struktuře (Obr. 16 ). Ve vrstevnaté mřížce grafitu jsou atomy v jednotlivých vrstvách uspořádány hexagonálně. Slabé vazby mezi vrstvami zajišťuje snadný posuv lamel, zatímco silné vazby ve vrstvách zajišťují vysokou pevnost vůči vnikání nerovnosti povrchu. U MoS2 je jedna rovina atomů molybdenu sendvičově obklopena rovinami atomů síry. Omezením vazby síra-síra se dosáhne nízké únosnosti krystalu sulfidu molybdeničitého ve střihu. Vrstvy síry se vážou na kovové povrchy a způsobují dobré přilnutí. Lamely sulfidu se orientují rovnoběžně s povrchem do tenkých filmů (0,1 až 1μm) s nízkým součinitelem tření a vysokou odolností proti tlaku. [26], [25]

Obr. 16 Krystalická struktura Grafitu a MoS2 [27], [28]

1.4 Vliv maziva na šroubové spoje

1.4

Výzkum této problematiky probíhá již přes sto let a stále je řada problémů nevyřešených. Poznatky z výzkumů ukazují, že nejčastější příčinou ztráty únosnosti spoje je nedostatečná síla předpětí. [14] Příčinou této ztráty je volba nevhodného maziva, či nemazaný spoj při montáži. Nejvíce obtížné je utahování šroubů z vysoce legovaných ocelí. Tyto oceli nemají vrstvu oxidu, která by oddělovala základní materiál při tření. Pokud není dodána jemná vrstva maziva, dochází již při pouhém utahování matice ke svaření za studena. [13] Zkoumáním chování šroubových spojů [29] bylo dokázáno, že tření nezávisí pouze na velikosti styčné plochy, ale i na drsnosti povrchu. Koeficient tření se výrazně zvyšuje s rostoucími hodnotami drsnosti. Využití maziva je tedy v některých případech nutností. Při využití maziva s nízkým koeficientem tření dosáhneme vyšších hodnot předpětí, protože koeficient tření oceli je vysoký (μ>0,3) a jeho rozptyl je σ>0,1. Vhodné mazivo může také zvýšit i životnost spoje. Vybrat ovšem správné mazivo je obtížné. Nejvíce se osvědčují tuhá maziva jako grafit a MoS2, která vykazují nejlepší vlastnosti při mazání šroubů. [30], [31]

strana

25


Obr. 17 Hodnoty součinitele tření a jeho rozptylu u černých šroubů

Kromě grafitu a MoS2 se využívají i kluzné laky, které jsou schopny odolávat extrémním podmínkám. Odolávají tlaku, vysoké i nízké teplotě i chemickým vlivům. Podmínkou pro úspěšnou aplikaci nejen kluzných laků, ale i tuhých maziv je řádně očištěný povrch. Obr. 17 zobrazuje hodnoty tření a rozptylů jednotlivých maziv. [26] Vliv maziva na utahovací moment byl experimentálně pozorován. Byly testovány pozinkované a černé šrouby mazané různými druhy maziv. Pomocí přípravku s tenzometrickým snímačem byla měřena síla předpětí metodou řízeného utahování. Výsledky experimentu jsou ve výzkumné zprávě [32]. Na tření ve šroubových spojích mají nejvýznamnější vliv tři složky - stoupání závitu, tření pod hlavou a tření na závitu. Jak je vidět z Obr. 18aObr. 18 , největší část tření je pod hlavou a v závitu. Při mazání minerálním olejem se tyto dvě složky nepatrně sníží (Obr. 18b). Ovšem snížení tření není tak markantní, jako když použijeme tuhé mazivo (Obr. 18c, d).

Obr. 18 Poměr složek tření ve šroubovém spoji

strana

26

ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE

2 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE 2.1 Analýza problému

2.1

Na základě výše popsané problematiky šroubových spojů je zřejmé, že je velmi obtížné vytvořit stejnou axiální sílu u dvou šroubů při využití totožného utahovacího momentu. Tento problém se nejvíce projevuje u přírub armatur, které se připojují pomocí šroubů po celém obvodě. Pokud nemají všechny šrouby stejné předpětí, může docházet k částečné netěsnosti spoje. U těchto typů spojů je nutná kontrola předpětí pomocí momentového klíče. Tato kontrola ovšem není vždy dostatečná, jelikož vztah mezi momentem a axiální silou na sebe nemá přímou vazbu a je zde spousta okolních vlivů, které mohou ovlivnit výslednou axiální sílu v každém spoji.

2.2 Cíl práce

2.2

Cíl práce je zaměřen na konstrukční návrh demonstrační aparatury pro vizualizaci axiálních sil ve šroubových spojích. Demonstrační aparatura musí plnit následující parametry:     

měření axiální síly ve spoji pomocí snímače síly velikost šroubu M20 4 ks šroubových spojů maximální hodnota axiální síly 160 kN ruční a hydraulické utahování

strana

27

KONCEPČNÍ ŘEŠENÍ

3 KONCEPČNÍ ŘEŠENÍ Řešení vychází z požadavků, které byly uvedeny v předchozí kapitole. Byly vytvořeny 3 varianty, ze kterých jsou vybrány konstrukční prvky, které tvoří finální konstrukční návrh. Pro modelování byl zvolen program Autodesk Inventor 2016. 3.1

3.1 Varianta A U první varianty (Obr. 19) je použit stojan svařený z několika trubek a kruhové ploché podstavy kvůli vyšší odolnosti konstrukce. Podstava je orientována horizontálně. K podstavě je přivařena normalizovaná příruba, na které je snímač síly. Jako základní prvek snímače síly je u této varianty zvolena pružina. Stlačení pružiny lze měřit a tak nepřímo zjistit axiální sílu ve spoji.

1 2

3 4 5 6 Obr. 19 Varianta A – svařovaná konstrukce

Obr. 20 Pružinový snímač: 1-matice, 2-podložka s ukazatelem, 3-pružina, 4-číselník, 5-příruba, 6-šroub

Šroubový snímač využívá elasticitu pružiny, kdy se při zatížení pružina stlačí o určitou délku a tím lze dopočítat sílu, která na ni působí. Šroub se provleče pružinou, na kterou je umístěna podložka s měrkou. Při zatížení měrka ukáže stlačení pružiny (Obr. 20). Výhody

Nevýhody

- jednoduchá konstrukce snímače

- nerozebíratelná konstrukce

- snadná manipulace se snímačem

- nepřesné měření - složitá konstrukce stojanu - pružina neunese zadané zatížení

strana

28


3.2 Varianta B

3.2

U druhé varianty (Obr. 21) se využívá částečně rozebíratelné konstrukce. Stojan je svařený z trubek a kruhové ploché podstavy. V podstavě jsou 3 otvory, pomocí kterých je stojan připevněn rozebíratelným šroubovým spojem ke dnu příruby. Dno je přivařeno k normalizované přírubě. Příruba je orientována horizontálně kvůli umístění snímače síly. U této varianty je zvolena jako snímač síly talířová pružina. 1 2

3 4 5 6

Obr. 21 Varianta B – částečně rozebíratelná konstrukce

Obr. 22 Snímač z talířových pružin: 1-matice, 2-podložka s ukazatelem, 3-talířová pružina, 4-číselník, 5-příruba, 6-šroub

Normalizované talířové pružiny v různých kombinacích sestavení nedokáží vydržet zadanou sílu. Proto je nutné vyrobit talířové pružiny o rozměrech 40 x 25,5 x 4 x 5,5 (D x d x t x H). Je nutné volit kombinované uložení, kde jsou dvě pružiny paralelní a osm sériových (Obr. 22). Pružiny musejí být vyrobeny z materiálu, který při zadaném zatížení nepřekročí mez kluzu. Pomocí ukazatele a číselníku lze odečíst stlačení pružiny a následně spočítat axiální sílu, kterou je spoj zatížen.

Výhody

Nevýhody

- částečně rozebíratelné konstrukce

- nepřesné měření

- snímač unese zadané zatížení

- malá deformace pružiny - nerozebíratelný stojan

strana

29


3.3

3.3 Varianta C Třetí varianta (Obr. 23) se zaměřuje na konstrukci, která bude snadno rozebíratelná a přenositelná. Konstrukci stojanu tvoří ohýbané trubky a plochá deska, která je orientována vertikálně. Využita je opět normalizovaná příruba, ke které je přivařeno dno. Příruba se poté snadno připevní ke stojanu pomocí tří šroubů. Měřicím článkem u této varianty je snímač síly KMR s měřicím rozsahem 300 kN, který je vhodný pro šrouby M20 od firmy HBM [33] (Obr. 24). Snímač je připojen přes zesilovač MX440B k počítači. Celý proces ovládá software Catman EASY, který vyhodnocuje naměřené výsledky. Cena jednoho kusu měřiče se pohybuje kolem 17 000,-. Celková cena 4 ks měřičů, zesilovače a softwaru činí 230 000,-. Pro snadnější přepravu by bylo možné uvažovat teleskopické nožky stojanu pro lepší skladnost a zmenšení rozměrů pro přepravu. 1 1

Obr. 23 Varianta C – rozebíratelná konstrukce

2

3

4 4

Obr. 24 Snímač síly KMR: 1-šroub, 2-matice, 3- snímač KMR, 4-příruba

Výhody

Nevýhody

- rozebíratelné konstrukce

- vysoká hmotnost

- přesné měření zatížení

- neskladné nožky stojanu

- vyhodnocovací software

- snímač není zajištěn proti pootočení - vysoká pořizovací cena

strana

30

KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ

4 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ Výsledná konstrukce vychází z koncepčních návrhů, avšak nejvíce z varianty C. Níže jsou popsány jednotlivé části konstrukce po kapitolách, v nichž jsou detailně popsány. U výsledné konstrukce je kladen důraz hlavně na mobilitu, ale také na bezpečnost při každodenním používání demonstračního zařízení.

4.1 Stojan

4.1

Konstrukce stojanu (Obr. 30) byla inspirována variantou C. Nevýhodou stojanu varianty C je ovšem její vysoká hmotnost, kterou lze lehce snížit pomocí využití lehčího materiálu. Pro snazší výrobu byl zvolen hliníkový konstrukční systém (Obr. 25) od firmy Alutec K&K [34]. Pomocí této stavebnice lze jednoduše a rychle sestavit stojan, případně jej opět demontovat a snáze přepravit.

Obr. 25 Hliníkové konstrukční systémy Alutec K&K [34]

Při konstrukci stojanu byly použity dva typy profilů, a to s rozměry průřezů 40x40 mm (Obr. 26) a 40x120 mm (Obr. 27). Pravoúhlá spojení jednotlivých profilů jsou realizována pomocí fixačních úhelníků (Obr. 28). Veškeré díly jsou k sobě připevněny pomocí šroubových spojů. Kotvící prvky jsou vyřešeny čtyřmi výškově

Obr. 26 Hliníkový profil 40x40

Obr. 27 Hliníkový profil 40x120

strana

31


Obr. 28 Fixační úhelník 40x40

Obr. 29 Stavěcí noha

nastavitelnými nožkami (Obr. 29), pomocí kterých lze snadno stojan vyvážit do vodorovné polohy. Otevřené konce profilů a úhelníků jsou zakryty plastovými záslepkami.

Obr. 30 Stojan

strana

32


4.2 Příruba

4.2

Prvkem, ke kterému je připevněn měřič síly, byla zvolena příruba DIN 2633. Obě dosedací strany příruby musejí být obrobeny, aby nedocházelo k ovlivnění měření. Pro připevnění příruby ke stojanu je potřeba k ní přivařit kruhové dno, ve kterém jsou vyvrtané díry dle výkresové dokumentace (Obr. 31). Kolem děr, kde se nacházejí měřené šrouby, se musí vyvrtat díry pro čepy, na které se připevní tenzometr. Čepy zabrání prokluzu tenzometru a tím poškození kabelového vedení mezi tenzometrem a počítačem.

Obr. 31 Příruba

4.3 Tenzometrický snímač

4.3

Konstrukce snímače je velmi jednoduchá a skládá se ze dvou hlavních částí – deformační člen a krytka (Obr. 32). Na deformačním členu jsou přilepeny tenzometry, které převádí deformaci na měřitelné napětí za pomoci změny svého odporu. Ze zadání není zřejmé, kde bude aparatura využívána. Proto je pro vyšší bezpečnost na tělo deformačního členu navlečena krytka. Ta chrání nalepené tenzometry před vnějším okolím a to nejen z důvodu bezpečnosti, ale také proto, aby měření nebylo ovlivněno vnějšími vlivy. V krytce je navíc drážka pro O-kroužek. Ten utěsnění prostor mezi deformačním členem a krytkou, aby nedocházelo k vnikání cizích částic do místa, kde jsou tenzometry. Pro bezpečný vývod kabelu je krytka opatřena vývodkou. Vývodka zabrání pohybu kabelu a tím jeho případnému poškození během používání zařízení.

strana

33


1 2 3

4

Obr. 32 Řez tenzometrickým snímačem: 1-vývodka, 2-O-kroužek, 3-deformační člen, 4-krytka

4.3.1

4.3.1 Deformační člen Funkcí deformačního členu je převádět mechanické namáhání na přesně definovanou deformaci. Deformace musí probíhat v elastické zóně a nesmějí překročit mez kluzu. To znamená, že namáhání deformačního členu musí probíhat v rozmezí Hookova zákona. Pokud dojde k překročení meze kluzu, nastávají nenávratné deformace a tím je snímač poškozen. U deformačního členu je důležitá hlavně přesnost. Na přesnost má velký vliv i volba materiálu. Využívají se hlavně oceli tříd 14, 15 a 16 a vytvrditelné korozivzdorné oceli tepelně zpracované na pevnost 1000 až 1800 MPa. [35] Vzhledem k vysokému zatížení je zvolena ocel 1.7361 (ekv. 15 230). Byla provedena MKP analýza deformačního členu, jejíž výsledky jsou zobrazeny na Obr. 33b. Výsledky ukazují, že maximální napětí se pohybuje okolo 255 MPa, přičemž mez kluzu materiálu je 850 MPa. Součinitel bezpečnosti je potom kk = 3,3 a tudíž není překročena mez kluzu. Při maximálním zatížení se posuvy pohybují v rozmezí setin až tisícin milimetru (Obr. 33a) a poměrné prodloužení se je 𝜀 = 29 𝜇𝑚/𝑚. Na deformační člen jsou nalepeny tenzometrické snímače. Rozlišujeme dva druhy snímačů – odporové a polovodičové. Odporové tenzometry využívají změnu rezistivity, která je způsobena mechanickým namáháním. Stále se hojně využívají hlavně pro svou jednoduchost. Polovodičové tenzometry využívají jevu zvaného piezorezistence. Tento jev je důsledkem struktury energetických pásů polovodičů a projevuje se závislostí elektrického odporu monokrystalu na deformaci. Z hlediska využití má nejlepší

strana

34


vlastnosti monokrystalický křemík. V porovnání s kovovými tenzometry jsou křemíkové tenzometry až 80krát citlivější. [35], [36]

Obr. 33a Výsledky MPK analýzy - Posunutí

Obr. 33b Výsledky MPK analýzy – Koeficient bezpečnosti

Změna odporu tenzometru je velice malá. Pro přesné měření je proto důležité zapojit tenzometr do tzv. Weatstonova můstku (Obr. 34). Pomocí takto zapojených tenzometrů dosáhneme kompenzace vlivu teploty a navíc zvýšíme citlivost na čtyřnásobek ve srovnání s jedním tenzometrem. Můstek je tvořen čtyřmi tenzometry. Do jedné diagonály se přivede napájení, v druhé se měří napětí. Vyhodnocení se provádí diferenciálním zesilovačem, který zesílí nízké hodnoty napětí. [37]

Obr. 34 Schéma zapojení Weatstonova můstku [38]

Jako dodavatel tenzometru byla oslovena firma HBM [33], která po konzultaci doporučila tenzometry série Y. Zvolili jsme růžicový tenzometr XY11 (Obr. 35) vhodný pro ocel, jehož měřící mřížky pootočené o 90° vykompenzují případný ohyb.

strana

35


Na deformační člen se nalepí 2 tenzometry 1-XY11-6-/120. Nalepení se provede pomocí rychletvrdnoucího lepidla. Takto nalepený tenzometr se následně nalakuje polyuretanovým lakem. Samotný tenzometr je zapojen do půl můstku. Pro zapojení do plného (Weatstonova) můstku proto postačí pouze dva na každý deformační člen.

Obr. 35 Katalogový list tenzometru typu XY - HBM [33] 4.4

4.4 Výsledná konstrukce Výsledná konstrukce (Obr. 36) byla navržena s ohledem na její nízkou hmotnost a snadnou rozebíratelnost, kterou zaručuje její hliníkový rám. Obrázky 37 a 38 zobrazují umístění snímače a upevnění k přírubě. Mimo jiné je konstrukce také

Obr. 37 Umístění snímače

Obr. 36 Výsledná konstrukce strana

36

Obr. 38 Upevnění snímače k přírubě


zaměřena hlavně na bezpečnost, takže aparatura může být využita jako experimentální i jako demonstrační zařízení.

4.5 Způsoby utahování

4.3

Jako klasický a velmi známý způsob utahování je ruční (Obr. 39). Tento způsob je vhodný pro malé předpětí, protože lidská síla se pohybuje v rozmezí 250-300 N. Moment ručního utahování lze zvýšit tím, že prodloužíme rameno páky nebo pomocí násobičů momentu.

Obr. 39 Ruční utahování [40]

Další způsob utahování je pomocí hydraulických utahováků. Pomocí hydraulické napájecí jednotky mohou tyto utahováky vytvářet vyšší utahovací moment. Konstrukce utahováků využívá jako opěrné body okolní matice nebo se opírá o okraj příruby (Obr. 40).

Obr. 40 Hydraulické utahování [41]

strana

37

DISKUZE

5 DISKUZE Z koncepčních návrhů byly vybrány konstrukční prvky, které tvoří výsledný konstrukční návrh. Požadavkem bylo navrhnout konstrukci k testování šroubů rozměrů M20, čímž bylo docíleno volbou normalizované příruby DIN 2633 s otvory pro šrouby Ø 22 mm. Příruba je připevněna ke stojanu z hliníkových profilů. Volba měřicího členu byla obtížná, protože vstupní zatížení 160 kN je totiž příliš veliké. Proto byl zvolen jako měřicí prvek tenzometrický snímač, jehož konstrukce odolá vstupnímu zatížení a navíc přesně určí měřenou axiální sílu. Snímač musí být navržen tak, aby jeho deformační člen splnil podmínku bezpečnosti alespoň kk = 2. Tato podmínka byla ověřena pomocí MKP analýzy v aplikaci Autodesk Inventor. Pro zjednodušení výroby se nabízí i možnost zakoupit tenzometrický snímač, ovšem tím by se navýšila celková cena aparatury. Výhodou takto zakoupeného snímače je, že výrobce navíc dodává i software pro zobrazení výsledků. Cena snímačů a softwaru se pohybuje kolem 230 000,-, proto byla zvolena varianta výroby vlastního snímače. Jelikož se snímač bude vyrábět, je nutné k němu navrhnout vyhodnocovací software. K tomu by mohlo posloužit prostředí softwaru LabVIEW, které je vhodné k programování systému pro měření a zpracování signálů. Hlavní funkcí softwaru by mělo být měření axiální síly. Mimo jiné by mohl zaznamenávat sílu během utahování, zaznamenat maximální sílu a následně vykreslit do grafu průběh utahování. Dále by software mohl být propojen s databází, která by shromažďovala výsledky měření pro případné porovnání s hodnotami měření jiného typu šroubu. Z naměřených hodnot by také mohl spočítat koeficient tření. Kromě samotného měření by software měl obsahovat i modul pro statistické zpracování naměřených hodnot, které si uživatel nadefinuje. Výstupem každého měření pak bude protokol, který bude obsahovat hlavičku s popisem šroubu a použitého maziva, naměřené výsledky a maximální utahovací sílu, případně statistické zpracování naměřených hodnot. Kromě tohoto výstupu by software měl umožnit export naměřených hodnot do formátu pro další zpracování hodnot v tabulkových programech. V zadání nebylo určeno, v jakých podmínkách bude zařízení používáno. Při konstrukci se bralo v úvahu, že zařízení se bude využívat v neagresivním prostředí jako je laboratoř nebo místnost s běžnými podmínkami, například výstavní hala. Proto jsou všechny elektronické prvky zakrytovány a utěsněny proti vnikání nečistot. Aparatura je vytvořena tak, aby ji zvládl obsluhovat každý po krátkém zaškolení a poučení o bezpečnosti práce. Utahování může být prováděno ručně nebo za použití pneumatického či hydraulického nářadí. Při utahování pomocí tohoto nářadí je nutné mít opěrnou plochu pro zapření utahováků. Jako opěrná plocha může být využit okraj příruby. Proto při volbě utahováků musí být zvolen takový, jehož konstrukce tomu vyhovuje.

strana

38

ZÁVĚR

6 ZÁVĚR Byla navržena konstrukce aparatury pro měření axiální síly ve šroubových spojích. Za účelem návrhu byla provedena studie chování šroubových spojů a stávajících metod měření. Z navrhovaných koncepčních návrhů byly vybrány jednotlivé prvky, ze kterých je sestaveno finální konstrukční řešení. Jako nosný prvek je vytvořen stojan. Pro snížení celkové hmotnosti aparatury je stojan sestaven z hliníkových profilů. Profily tvoří stavebnicový systém a tím je stojan snadno rozebíratelný. Dále byl při konstrukci využit tenzometrický snímač, který přesně změří axiální sílu ve spoji. Při konstrukci byl brán zřetel na co nejjednodušší výrobu a využití normalizovaných dílů, čímž je zaručena dostupnost náhradních dílů. Práce je zaměřená na konstrukci měřicí aparatury. Pro její úplné zprovoznění je nutné vyřešit další problematiku, což je již nad rámec této práce. Zmíněná problematika se týká hlavně vytvoření softwaru, který by dokázal vyhodnocovat výstupní napětí tenzometru a převádět jej na aktuální silové zatížení testovaného spoje. S tím souvisí i kalibrace přístroje, kterou je možno řešit až experimentálně. Tato problematika by se mohla stát tématem navazujících prací. Hlavní snahou bylo dodržet podmínky zadání a zkonstruovat aparaturu s ohledem na snadnou rozebíratelnost, což bylo splněno. Práce splňuje všechny zadané vstupní požadavky na aparaturu.

strana

39

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ

7 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ

[1] [2] [3] [4]

[5]

[6] [7] [8] [9]

[10] [11]

[12] [13] [14] [15]

[16] [17] [18]

strana

40

SÝKORA, Jan. Historie a vývoj šroubů. Ždánice: Šroubárna Ždánice, 1975. Živá historie: historický magazín. Brno: Extra Publishing, 2008, 2011(6). ISBN 1803-3326. ISSN 1802-2278. Wikipedia. Archimedes screw [online]. b.r. [cit. 2016-02-19]. Dostupné z: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Archimedes_screw.JPG ID models. Revell Leonardo da Vinci Printing Press Wooden Kit [online]. b.r. [cit. 2016-02-19]. Dostupné z: http://idmodels.ie/revell-leonardo-da-vinciprinting-press-wooden-kit.html PRAGUE CITY LINE. Josef Ressel [online]. b.r. [cit. 2016-02-22]. Dostupné z: http://www.praguecityline.cz/osobnosti-prahy/josef-ressel-%E2%80%93nestastny-vynalezce VITOUCHOVÁ, Veronika. Josef Ressel. Informace. b.r., 2013(1). ISSN 18052800. Dostupné také z: https://www.lib.cas.cz/casopis-informace/josef-ressel/ NĚMEC, Dobroslav, Jan ODEHNAL a Jaroslav HNILICA. Strojírenská technologie 3. Druhé, opravné vydání. Praha: SNTL, 1982. ISBN 04-207-82. KŘÍŽ, Rudolf. Stavba a provoz strojů I: části strojů : pro 2. roč. SPŠ. 1. vyd. Praha: Scientia, c1997. ISBN 80-718-3108-5. SHIGLEY, Joseph, Charles MISCHKE a Richard BUDYNAS. Konstruování strojních součástí. 1. vyd. Editor Martin Hartl, Miloš Vlk. Brno: VUTIUM, 2010. ISBN 978-80-214-2629-0. Wikipedia. Šroubový spoj [online]. b.r. [cit. 2016-02-19]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/%C5%A0roubov%C3%BD_spoj ZELENÝ, Jiří. Stavba strojů - strojní součásti: učebnice pro střední průmyslové školy. Vyd. 1. Praha: Computer Press, 2000. Edice strojaře. ISBN 80-722-6311-0. DEJL, Zdeněk. Konstrukce strojů a zařízení I: spojovací části strojů. Návrh,výpočet,konstukce. Ostrava: Montanex, 2000. ISBN 80-722-5018-3. BICKFORD, John a Sayed NASSAR. Handbook of bolts and bolted joints. New York: M. Dekker, c1998. ISBN 08-247-9977-1. BICKFORD, John. An introduction to the design and behavior of bolted joints. 3rd rev. exp. ed. New York: Marcel Dekker, 1995. ISBN 08-247-9297-1. Úvod do tribologie [online]. Brno, Ústav konstruování, FSI, b.r. online [cit. 2016-03-09]. Dostupné z: http://old.uk.fme.vutbr.cz/kestazeni/tribologie/prednasky/prednaska1.pdf Wikipedia. Tribology [online]. b.r. [cit. 2016-02-06]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Tribology CARNES, Kathrin. The ten greatest events in tribology history: Tribology & Lubrication technology. ProQuest Science Journals. 2005, (), 38. Tření, mazání, opotřebení [online]. Brno, Ústav konstruování, FSI, b.r. online [cit. 2016-03-09]. Dostupné z: http://old.uk.fme.vutbr.cz/kestazeni/5CK/prednasky/prednaska4.pdf


[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25] [26]

[27] [28] [29]

[30]

[31]

Tribologické aspekty kontaktních povrchů [online]. Brno, Ústav konstruování, FSI, b.r. [cit. 2016-02-22]. Dostupné z: http://old.uk.fme.vutbr.cz/kestazeni/prednaska2.pdf Hydrodynamické mazání [online]. Brno, Ústav konstruování, FSI, b.r. online [cit. 2016-03-09]. Dostupné z: http://old.uk.fme.vutbr.cz/kestazeni/tribologie/prednasky/prednaska6.pdf KONVIČNÁ, Iveta. Ložiska hydrostatická [online]. SOŠ SOU Kyjov, b.r. [cit. 2016-03-09]. Dostupné z: http://www.sossoukyjov.cz/data/file/Strojnictvi/VY_32_INOVACE_5c/VY_ 32_INOVACE_5c17.pdf Maziva, mazací soustavy a zařízení [online]. ČZU, Technická fakulta, b.r., online [cit. 2016-03-09]. Dostupné z: http://tf.czu.cz/~pexa/Predmety/PUS/Prednasky/9_Mazani_RGB.pdf Mezné mazání [online]. Brno, Ústav konstruování, FSI, b.r. [cit. 2016-03-09]. Dostupné z: http://old.uk.fme.vutbr.cz/kestazeni/tribologie/prednasky/prednaska8.pdf HELEBRANT, František, Ladislav HRABEC a Jan BLATA. Provoz, diagnostika a údržba strojů. 2013. ISBN 978-80-248-3028-5. Dostupné také z: http://interdiago.vsb.cz/kom/upload/12Provoz,%20diagnostika%20a%20%C3%BAdr%C5%BEba%20stroj%C5%A F%2006.pdf ČAPPO. Maziva [online]. b.r. [cit. 2016-02-09]. Dostupné z: http://www.cappo.cz/ropne-vyrobky/maziva/ WALD, František, Luboš ROZLÍVKA, Zdeněk SOKOL a Hynek ŠERTLER. Vliv maziva na utahování šroubů třecích spojů. Konstrukce. Ostrava. 2002, (4). ISSN 1212-8762. ČVUT. RTG Difrakce [online]. b.r. [cit. 2016-02-17]. Dostupné z: http://vega.fjfi.cvut.cz/docs/sfbe/rtg_difrakce/7.html ChemTube 3D. Molybdenum Disulfide - MoS2 [online]. b.r. [cit. 2016-02-17]. Dostupné z: http://www.chemtube3d.com/solidstate/SS-MoS2.htm KARAMIş, M.B. a B. SELçUK Analysis of the friction behaviour of bolted joints. Wear. 1993, 166(1), 73-83. DOI: 10.1016/0043-1648(93)90281-P. ISSN 00431648. Dostupné také z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/004316489390281P LIU, Jianhua, Huajiang OUYANG, Jinfang PENG, Chaoqian ZHANG, Pingyu ZHOU, Lijun MA a Minhao ZHU. Experimental and numerical studies of bolted joints subjected to axial excitation. Wear. 2016, 346-347, 66-77. DOI: 10.1016/j.wear.2015.10.012. ISSN 00431648. Dostupné také z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0043164815004536 ZOU, Q., T. SUN, S. NASSAR, G. BARBER a A. GUMUL Effect of Lubrication on Friction and Torque-Tension Relationship in Threaded Fasteners. Tribology Transactions. 2007, 50(1), 127-136. DOI: 10.1080/10402000601105490. ISSN 1040-2004. Dostupné také z: http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/10402000601105490

strana

41


[32]

[33] [34] [35]

[36]

[37]

[38] [39] [40] [41]

strana

42

WALD, František, Zdeněk SOKOL a Dalibor GREGOR. Zkušební protokol o zkoušce předpínací síly pro metodu řízené utahování matice momentem, pootočením a kombinovanou metodou, zpráva ČVUT v Praze. Praha, 2001. HBM měřící technika s.r.o. [online]. b.r. [cit. 2016-04-01]. Dostupné z: http://www.hbm.cz/ ALUTEC K&K a.s [online]. b.r. [cit. 2016-03-11]. Dostupné z: http://www.aluteckk.cz/ Automa: časopis pro automatizační techniku. Piezorezistence polovodičů rozšiřuje možnosti elektrického měření síly a hmotnosti [online]. b.r., 2002(11) [cit. 2016-03-14]. DOI: 1210-9592. Dostupné z: http://automa.cz/index.php?id_document=28604 Automa: časopis pro automatizační techniku. Odporové tenzometry z pohledu využití v automatizovaných soustavách [online]. b.r., 2004(7) [cit. 2016-0314]. ISSN 1210-9592. Dostupné z: http://automa.cz/download/au070427.pdf Snímače pro měření deformace [online]. KST, Technická univerzita v Liberci, b.r., online [cit. 2016-03-14]. Dostupné z: http://www.kst.tul.cz/podklady/experimentalnimetody/prednasky/p8_snimace _deformace.pdf VTS Zlín [online]. b.r. [cit. 2016-03-15]. Dostupné z: http://www.vtsz.cz/ Introduction to Tribology. In: STLE [online]. b.r. [cit. 2016-04-18]. Dostupné z: http://www.stle.org/images/What%20is%20Tribology/22.jpg Gola sady [online]. b.r. [cit. 2016-04-18]. Dostupné z: http://www.golasady.cz/files/K152d.jpg Rapidtorc [online]. b.r. [cit. 2016-04-18]. Dostupné z: http://www.rapidtorc.com/images/hydraulic_torque_wrench/hydraulic_torque _wrench_on_flange.jpg

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN

8 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN - metoda konečných prvků - sulfid molybdeničitý

MKP MoS2 P D, d D1, d1 D2, d2 F FZV FSP Fx Fy N f, μ MZV Ph α β ψ Mo do fo δ Fi E S l M K μt rt μn rn Λ hmin Rred Rq σ ε

[N] [mm] [mm] [mm] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [-] [Nm] [mm] [°] [°] [°] [Nm] [mm] [mm] [mm] [N] [MPa] [mm2] [mm] [Nm] [-] [-] [mm] [-] [mm] [-] [mm] [mm] [mm] [-] [μm/m]

- rozteč - velký průměr závitu - malý průměr závitu - střední průměr závitu - zatěžující síla - síla pro zvedání břemene - síla pro spouštění břemene - výslednice sil v ose x - výslednice sil v ose y - normálová síla - koeficient tření - moment pro zvedání břemene - výška rozvinutého závitu - úhel profilu závitu - úhel boku závitu - úhel stoupání závitu - ohybový moment - střední průměr mezikruhové plochy - součinitel tření na ploše osazení - prodloužení - síla předpětí - Youngův modul pružnosti - obsah průřezu - délka šroubu - utahovací moment - součinitel utahovacího momentu - koeficient tření závitu - efektivní kontaktní poloměr závitů - koeficient tření matice - efektivní poloměr kontaktu mezi maticí a povrchem - parametr mazání - minimální tloušťka mazacího filmu - redukovaná drsnost třecích povrchů - střední kvadratická drsnost třecích povrchů - rozptyl - poměrné prodloužení

strana

43

SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ

9 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ Obr. 1 Nákres Archimedova šroubu [3] ................................................................ 12 Obr. 2 Model da Vinciho tiskařského lisu [4] ....................................................... 13 Obr. 3 Umístění Resselova lodního šroubu [5] ...................................................... 13 Obr. 4 Druhy šroubových spojů [10] ..................................................................... 14 Obr. 5 Rozdělení závitů ........................................................................................... 14 Obr. 6 Základní názvosloví šroubu [9] .................................................................. 15 Obr. 7 Nákres pohybového šroubu [9] ................................................................... 16 Obr. 8 Silový rozbor rozvinutého závitu ............................................................... 16 Obr. 9 Poměr složek utahovacího momentu ......................................................... 20 Obr. 10 Stribeckova křivka [18] ............................................................................. 21 Obr. 11 Hydrodynamické mazání [19] .................................................................. 22 Obr. 12 Parciální ložisko [21] ................................................................................. 22 Obr. 13 Elastohydrodynamické mazání [19] ......................................................... 23 Obr. 14 Mezné mazání [39] ..................................................................................... 23 Obr. 15 Smíšené mazání [19] .................................................................................. 23 Obr. 16 Krystalická struktura Grafitu a MoS2 [27], [28] .................................... 25 Obr. 17 Hodnoty součinitele tření a jeho rozptylu u černých šroubů ................. 26 Obr. 18 Poměr složek tření ve šroubovém spoji ................................................... 26 Obr. 19 Varianta A – svařovaná konstrukce ........................................................ 28 Obr. 20 Pružinový snímač ....................................................................................... 28 Obr. 22 Snímač z talířových pružin ....................................................................... 29 Obr. 21 Varianta B – částečně rozebíratelná konstrukce .................................... 29 Obr. 24 Snímač síly KMR ....................................................................................... 30 Obr. 23 Varianta C – rozebíratelná konstrukce ................................................... 30 Obr. 25 Hliníkové konstrukční systémy Alutec K&K [34] .................................. 31 Obr. 27 Hliníkový profil 40x120 ............................................................................. 31 Obr. 26 Hliníkový profil 40x40 ............................................................................... 31 Obr. 29 Stavěcí noha ................................................................................................ 32 Obr. 28 Fixační úhelník 40x40 ................................................................................ 32 Obr. 30 Stojan .......................................................................................................... 32 Obr. 31 Příruba ........................................................................................................ 33 Obr. 32 Řez tenzometrickým snímačem ................................................................ 34 Obr. 33b Výsledky MPK analýzy - Koeficient bezpečnosti ................................. 35 Obr. 33a Výsledky MPK analýzy - Posunutí ......................................................... 35 Obr. 34 Schéma zapojení Weatstonova můstku [38] ............................................ 35 Obr. 35 Katalogový list tenzometru typu XY - HBM [33] ................................... 36 Obr. 36 Výsledná konstrukce ................................................................................. 36 Obr. 37 Umístění snímače ....................................................................................... 36 Obr. 38 Upevnění snímače k přírubě ..................................................................... 36 Obr. 39 Ruční utahování [40] ................................................................................. 37 Obr. 40 Hydraulické utahování [41] ...................................................................... 37

strana

44

SEZNAM TABULEK

10 SEZNAM TABULEK Tab. 1 Součinitel utahovacího momentu K [13] .................................................... 19

strana

45

SEZNAM PŘÍLOH

11 SEZNAM PŘÍLOH 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

strana

46

Měřící aparatura Měřící aparatura - Seznam položek Stojan Příruba Příruba DIN 2633 Tenzometr Tenzometr - Seznam položek Deformační člen Kryt

02-BP-153077-00 04-BP-153077-00-0 02-BP-153077-01 03-BP-153077-02 03-BP-153077-02-1 03-BP-153077-03 04-BP-153077-03-0 03-BP-153077-03-1 03-BP-153077-03-2

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Recommend Documents