K 9 MANIPULAČNÍ ZAŘÍZENÍ PRO HUTNÍ PRŮMYSL

Katedra konstruování strojů Fakulta strojní

KϬ9ͲMANIPULAČNÍ ZAŘÍZENÍ PRO HUTNÍ PRŮMYSL

2.ϯ Dh>

VÝPOČTOVÁ ZPRÁVA

doc. Ing. Martin Hynek, PhD. a kolektiv

verze - 1.0 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Hledáte kvalitní studium? Nabízíme vám jej na Katedře konstruování strojů Katedra konstruování strojů je jednou ze šesti kateder Fakulty strojní na Západočeské univerzitě v Plzni a patří na fakultě k největším. Fakulta strojní je moderní otevřenou vzdělávací institucí uznávanou i v oblasti vědy a výzkumu uplatňovaného v praxi. Katedra konstruování strojů disponuje moderně vybavenými laboratořemi s počítačovou technikou, na které jsou např. studentům pro studijní účely neomezeně k dispozici nové verze předních CAD (Pro/Engineer, Catia, NX ) a CAE (MSC Marc, Ansys) systémů. Laboratoře katedry jsou ve všední dny studentům plně k dispozici např. pro práci na semestrálních, bakalářských či diplomových pracích, i na dalších projektech v rámci univerzity apod. Kvalita výuky na katedře je úzce propojena s celouniverzitním systémem hodnocení kvality výuky, na kterém se průběžně, zejména po absolvování jednotlivých semestrů, podílejí všichni studenti. V současné době probíhá na katedře konstruování strojů významná komplexní inovace výuky, v rámci které mj. vznikají i nové kvalitní učební materiály, které budou v nadcházejících letech využívány pro podporu výuky. Jeden z výsledků této snahy máte nyní ve svých rukou. V rámci výuky i mimo ni mají studenti možnost zapojit se na katedře také do spolupráce s předními strojírenskými podniky v plzeňském regionu i mimo něj. Řada studentů rovněž vyjíždí na studijní stáže a praxe do zahraničí. Nabídka studia na katedře konstruování strojů: Bakalářské studium (3roky, titul Bc.) Studijní program

B2301: strojní inženýrství („zaměřený univerzitně“)

B2341: strojírenství (zaměřený „profesně“)

Zaměření

Stavba výrobních strojů a zařízení Dopravní a manipulační technika

Design průmyslové techniky Diagnostika a servis silničních vozidel Servis zdravotnické techniky

Magisterské studium (2roky, titul Ing.) Studijní program Zaměření

N2301: Strojní inženýrství Stavba výrobních strojů a zařízení Dopravní a manipulační technika

Více informací naleznete na webech www.kks.zcu.cz a www.fst.zcu.cz

Západočeská univerzita v Plzni, 2014 ISBN © doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D. Ing. Petr Votápek, Ph.D. Ing. Zdeněk Raab, Ph.D. Bc. Michal Švamberk

Obsah: 1. Technická specifikace

4

2. Návrh pohonu muldy

6

2.1 Kontrola nosného řetězu

8

2.1.1 Kontrola měrného tlaku v kloubu nosného řetězu

8 10

2.2 Kontrola řetězového převodu 2.2.1 Kontrola měrného tlaku v kloubu řetězu

10

2.3 Kontrola pružné spojky Periflex typ 450

11

2.4 Kontrola pera spojení pružné spojky s hřídelí

12

2.5 Kontrola pera spojení hnacího řetězového kola s hřídelí

14

2.6 Kontrola pera spojení hřídele s pevnou spojkou

15

2.7 Kontrola ložisek uložení kladky s řetězovým kolem

18

2.8 Kontrola talířových pružin

21

2

Non-Commercial Use Only

Layout výstupního úseku rovnací tratě

3


1. Technická specifikace Mulda slouží jako zásobník trubek ve výstupním úseku rovnací tratě. Když je trubka vyjmuta z válečkového dopravníku, vlastní vahou se odvalí na sadu napínaných řetězů. Tyto řetězy jsou s přibývajícími trubkami povolovány a tím se zvětšuje průvěs, kde jsou nashromážděny trubky. Jakmile je dovršen určitý počet trubek v zásobníku, dojde k jejich svázání a vyjmutí z muldy. Poté se řetězy opět napnou do horní polohy a proces se opakuje. Popis technického řešení Mulda je tvořena dvěmi samostatnými rámy (1), každý stojí na čtyřech snímačích zatížení (16) přišroubovaných na základnách (15) kotvených do základu. Pozice rámů vůči základnám se vymezuje napínáky (17). Na každém rámu (1) jsou přišroubovány čtyři hnané stojiny (2) a čtyři opěrné stojiny (3). Na hnané stojině (2) je otočně uloženo řetězové kolo s kladkou (4), ke kterému je pevně připojen řetěz (5), který je v počátečním stavu navinut na kladku. Druhý konec řetězu (5) je přes sadu talířových pružin (6) spojen s opěrnou stojinou (3). Na hnaných stojinách (2) jsou umístěny ložiskové domky (7) pro dvě sériové větve hřídelů (8) s řetězovými koly (9), které jsou poháněny převodovým motorem (10), jenž je umístěn mezi rámy (1) na samostatné stojině (11). Přenos točivého momentu z převodového motoru (10) na hřídele (8) je realizován přes pružné spojky (12). Hřídele (8) v jednotlivých větvích jsou spojeny pomocí pevných spojek (13). Přenos točivého momentu z hřídele (8) na řetězové kolo s kladkou (4) je pomocí řetězu (14).

Obr. 1 Mulda: 1-Rám, 2-Hnaná stojina, 3-Opěrná stojina, 5-Řetěz, 7-Ložiskový domek, 8-Hřídel, 10-Převodový motor, 11-Stojina, 12-Pružná spojka, 13 Pevná spojka

4


Obr. 2 Řez muldou: 1-Svařovaná konstrukce, 2-Hnaná stojina, 3-Opěrná stojina, 4-Řetězové kolo s kladkou, 5-Řetěz, 6-Talířové pružiny, 8-Hřídel, 9-Řetězové kolo, 14-Řetěz, 15-Základna, 16-Snímač zatížení, 17-Rozpěrka

5


2. Návrh pohonu muldy Funkce pohonu spočívá v tom, že jen spouští váhu svazku trubek, ale je požadavek, že musí umět svazek trubek také z důvodu bezpečnosti nadzvednout z dolní polohy o 100 mm.

Obr. 3 Výpočtové schéma pohonu muldy

Obr. 4 Rozklad sil v řetězu

6


Vstupní hodnoty: m ≔ 10000

maximální stanovená hmotnost svazku trubek

Dk ≔ 269

roztečný průměr navíjecí kladky

D1 ≔ 253.3

roztečný průměr hnaného řetězového kola

D2 ≔ 192.9

roztečný průměr hnacího řetězového kola

α ≔ 20.5

úhel mezi sílou Fř1 a sílou Fc

v ≔ 1.5 ――

rychlost zdvihání trubek

kdyn ≔ 1.3

koeficient bezpečnosti (zahrnuje pasivní odpory)

Výstupní hodnoty: Fc ≔ m ⋅ = 98.067

síla působící na 8 stojin od hmotnosti trubek

χ ≔ 180° − (2 ⋅ α) = 139

úhel mezi silami Fř1

Fc Fř1 ≔ ――― ⋅ sin (α) = 52.348 sin (χ)

síla působící v 8 řetězech

Dk ⎛ 3 = ⎝7.041 ⋅ 10 ⎞⎠ Mř1 ≔ Fř1 ⋅ ―― 2

moment působící na 8 řetězových kolech

D1 = 1.313 i21 ≔ ―― D2

převodový poměr řetězového převodu

Mř1 3 Mhnaci ≔ ―― ⋅ kdyn = ⎛⎝6.971 ⋅ 10 ⎞⎠ i21

potřebný hnací moment působící na hnacím hřídeli

v = 1.601 ―― vř1 ≔ ――― cos (α)

obvodová rychlost hnaného řetězového kola

2 ⋅ vř1 = 0.198 ―― ωř1 ≔ ―― Dk

úhlová rychlost hnaného řetězového kola

ωř2 ≔ ωř1 ⋅ i21 = 0.261 ――

úhlová rychlost hnacího řetězového kola

7


ωř2 1 n2 ≔ ―― = 2.488 ―― 2⋅

otáčky hnacího řetězového kola

P ≔ Mhnaci ⋅ ωř2 = 1.816

potřebný výkon motoru

Na základě vypočtených hodnot byla zvolena tandem převodovka CDUW size 180 od společnosti CAVEX (katalogový list viz příloha 1) a motor SEW DRE 112M4 BE5 [3] Parametry motoru: Výkon motoru

Pm ≔ 3

Výstupní otáčky

1 nm ≔ 2.75 ――

Maximální točivý moment

Mm ≔ 7710

2.1 Kontrola nosného řetězu Ve výpočtu jsou zanedbány dynamické účinky od valicích se trubek a vlastní hmotnost řetězu. Vstupní hodnoty: Fř1 = 52.348

potřebná síla v řetězech

i≔8

počet řetězů přenášejících sílu

k ≔ 1.3

koeficient nerovnoměrného zatížení

Výstupní hodnoty: Fř1 Fř ≔ ―― ⋅ k = 8.507 i

síla připadající na jeden řetěz

2.1.1 Kontrola měrného tlaku v kloubu nosného řetězu Řetěz byl navržen válečkový dvouřadý ISO 20B-2 Vstupní hodnoty: Směrný tlak v kloubu řetězu

ps ≔ 31.78

[2]

Činitel tření řetězu

λi ≔ 1

[2]

Činitel rázů

Y≔2

[2]

Plocha kloubu

Sř ≔ 590

8


2

[2]

Součinitel rázů

y ≔ 0.73

[2]

Dovolená síla v řetězu

Fdov ≔ 178

[2]

Výstupní hodnoty: Fř př ≔ ― = 14.418 Sř

tlak v kloubu řetězu

pd ≔ ps ⋅ λi ⋅ y = 23.199

dovolený tlak v kloubu řetězu

| = “vyhovuje” if pd > př ‖ “vyhovuje” | ‖ | else | ‖ “nevyhovuje” | ‖

Fdov ks ≔ ―― = 20.9 Fř

bezpečnost proti přetržení při statickém zatížení

| = “vyhovuje” if ks ≥ 7 ‖ “vyhovuje” | ‖ | else | ‖ “nevyhovuje” | ‖

Fdov kd ≔ ―― = 10.5 Fř ⋅ Y

bezpečnost proti přetržení při dynamickém zatížení

| = “vyhovuje” if kd ≥ 5 ‖ “vyhovuje” | ‖ | else | ‖ “nevyhovuje” ‖ |

9


2.2 Kontrola hnacího řetězu Ve výpočtu jsou dále zanedbány odstředivé síly řetězu (z důvodu nízkých otáček řetězového kola). Vstupní hodnoty: 3 Mhnaci = ⎛⎝6.971 ⋅ 10 ⎞⎠

maximální točivý moment na hřídeli

⋅

D2 = 192.9

roztečný průměr hnacího kola

i=8

počet řetězů přenášející kroutící moment

k ≔ 1.3


Výstupní hodnoty: 2 ⋅ Mhnaci Fř_2 ≔ ―――⋅ k = 11.744 D2 ⋅ i

síla v řetězu

2.2.1 Kontrola měrného tlaku v kloubu hnacího řetězu Řetěz byl navržen válečkový dvouřadý ISO 20B-2

Vstupní hodnoty: Směrný tlak v kloubu řetězu

ps ≔ 31.78

[2]

Činitel tření řetězu

λi ≔ 1

[2]

Činitel rázů

Y≔2

[2]

Plocha kloubu

Sř ≔ 590

Součinitel rázů

y ≔ 0.73

[2]

Dovolená síla v řetězu

Fdov ≔ 178

[2]

2

[2]

Výstupní hodnoty: Fř_2 př ≔ ―― = 19.905 Sř

tlak v kloubu řetězu

pd ≔ ps ⋅ λi ⋅ y = 23.199

dovolený tlak v kloubu řetězu

10


| = “vyhovuje” if pd > př ‖ “vyhovuje” | ‖ | else | ‖ “nevyhovuje” ‖ | Fdov ks ≔ ―― = 15.2 Fř_2

bezpečnost proti přetržení při statickém zatížení

| = “vyhovuje” if ks ≥ 7 ‖ “vyhovuje” | ‖ | else | ‖ “nevyhovuje” ‖ |

Fdov kd ≔ ――― = 7.6 Fř_2 ⋅ Y

bezpečnost proti přetržení při dynamickém zatížení

| = “vyhovuje” if kd ≥ 5 ‖ “vyhovuje” | ‖ | else | ‖ “nevyhovuje” ‖ | 2.3 Kontrola pružné spojky Periflex typ 450 - technické parametry zvolené spojky viz. katalogový list v příloze 2 Vstupní hodnoty: jmenovitý moment přenášený spojkou

Mt1 ≔ 6300 3 Mhnaci = ⎛⎝6.971 ⋅ 10 ⎞⎠

maximální točivý moment motoru

⋅

n≔2

počet spojek přenášejících moment

k ≔ 1.3


Výstupní hodnoty: Mhnaci 3 Mp ≔ ――― ⋅ k = ⎛⎝4.531 ⋅ 10 ⎞⎠ 2

moment přenášený jednou spojkou

⋅

| = “vyhovuje” if Mt1 ≥ Mp ‖ “vyhovuje” | ‖ | else | ‖ “nevyhovuje” | ‖

11


2.4 Kontrola pera spojení pružné spojky s hřídelí

Obr. 5 Spojení pružné spojky s hřídelem

Obr. 6 Spojení pružné spojky s hřídelem perem těsným (ČSN 02 2562)

12


Vstupní hodnoty: 3 Mp = ⎛⎝4.531 ⋅ 10 ⎞⎠

moment přenášený spojem

⋅

b ≔ 22

šířka pera

h ≔ 14

výška pera

l ≔ 140

délka pera

d ≔ 78

průměr hřídele

Materiál pera - ocel 11 600 Re ≔ 320

mez kluzu materiálu ČSN 11 600

ke ≔ 2

bezpečnost (zvolená hodnota)

Re pd ≔ ― = 160 ke

dovolený měrný tlak

Výstupní hodnoty: 2 ⋅ Mp F ≔ ―― = 116.175 d h Sp ≔ (l − b) ⋅ ―= 826 2

přanášená síla

2

styková plocha pera

F p ≔ ―= 140.648 Sp

měrný tlak ve styku pera

Porovnání dovoleného měrného tlaku s vypočtenou hodnotou: | = “vyhovuje” if pd ≥ p ‖ “vyhovuje” | ‖ | else | ‖ “nevyhovuje” | ‖

13


2.5 Kontrola pera spojení hnacího řetezového kola s hřídelí

Obr. 7 Spojení řetězového kola s hřídelem perem těsným (ČSN 02 2562) Vstupní hodnoty: 3 Mhnaci = ⎛⎝6.971 ⋅ 10 ⎞⎠


⋅

b ≔ 22

šířka pera

h ≔ 14

výška pera

l ≔ 100

funkční délka pera

d ≔ 80

průměr hřídele

i=8

počet řetězů přenášejících moment

k = 1.3




ke ≔ 2


Re pd ≔ ― = 160 ke


14


Výstupní hodnoty: 2 ⋅ Mhnaci F ≔ ――― ⋅ k = 28.318 d⋅i

přanášená síla

h Sp ≔ l ⋅ ―= 700 2


2

F p ≔ ―= 40.454 Sp



2.6 Kontrola pera spojení hřídele s pevnou spojkou

Obr. 8 Spojení dvou hřídelí pomocí pevné spojky

15


Obr. 9 Spojení pevné spojky s hřídelem perem těsným (ČSN 02 2562)

Vstupní hodnoty: 3 Mp = ⎛⎝4.531 ⋅ 10 ⎞⎠


⋅

b ≔ 22

šířka pera

h ≔ 14

výška pera

l ≔ 140

délka pera

d ≔ 80

průměr hřídele



ke ≔ 2


Re pd ≔ ― = 160 ke


Výstupní hodnoty: 2 ⋅ Mp F ≔ ―― = 113.271 d h Sp ≔ (l − b) ⋅ ―= 826 2

přanášená síla

2


F p ≔ ―= 137.132 Sp


16



17


2.7 Kontrola ložisek uložení kladky s řetězovým kolem

Obr. 10 Parametry ložiska uložení kladky s řetězovým kolem [6]

Obr. 11 Výpočtové schéma uložení kladky s řetězovým kolem

18


Vstupní hodnoty: mk ≔ 36.5

hmotnost kladky

Fc = 98.067

síla působící od hmotnosti trubek

C0 ≔ 40.5

statická únosnost ložiska

C ≔ 58.5

dynamická únosnost ložiska

X≔1

radiální součinitel

V≔1

rotační součinitel

l1 ≔ 69.8

vzdálenost mezi ložiskem A a těžištěm

l2 ≔ 108.5

vzdálenost mezi ložiskem A a silou působící na kladku

l3 ≔ 131

vzdálenost mezi ložiskem A a ložiskem B

S1 ≔ 1

směrný součinitel statické bezpečnosti

m≔3

exponent trvanlivosti pro bodový styk

1 n2 = 2.488 ――

otáčky na hnacím kole

i=8

počet kladek prenášejících sílu

i21 = 1.313

převodový poměr řetězového převodu

k ≔ 1.3


Výstupní hodnoty: Fc ⋅ k = 7.968 F1 ≔ ―― 2⋅i

síla působící na kladku

FG ≔ mk ⋅ = 357.943

tíhová síla od hmotnosti kladky

n2 1 n1 ≔ ― = 1.895 ―― i21

otáčky na hnaném kole

FRA − FG − F1 + FRB = 0

podmínka rovnováhy sil

FG ⋅ l1 + F1 ⋅ l2 − FRB ⋅ l3 = 0

momentová podmínka k bodu A

19


FG ⋅ l1 + F1 ⋅ l2 FRB ≔ ――――― = 6.79 l3

reakce v místě B

FRA ≔ FG + F1 − FRB = 1.536

reakce v místě A

Fmax ≔ max ⎛⎝FRA , FRB⎞⎠ = 6.79

výběr větší reakční síly

Fe ≔ V ⋅ X ⋅ Fmax = 6.79

ekvivalentní dynamické zatížení

C0 S0 ≔ ― = 5.965 Fe

součinitel bezpečnosti ložiska při statickém namáhání

| = “vyhovuje” if S0 ≥ S1 ‖ “vyhovuje” | ‖ | else | ‖ “nevyhovuje” | ‖ m

⎛C⎞ L10 ≔ ⎜―⎟ = 639.5 ⎝ Fe ⎠

trvanlivost ložiska při 90% spolehlivosti v milionech otáčkách

6

6 10 ⋅ L10 = ⎛⎝5.625 ⋅ 10 ⎞⎠ L10h ≔ ―― n1

trvanlivost ložiska při 90% spolehlivosti v hodinách

Provozní trvanlivost ložiskového uložení závisí na mnoha dalších faktorech, jako je mazání, stupeň znečištění, nesouosost, správná montáž, okolní podmínky atd. Proto se předpokládaná trvanlivost ložisek může výrazně lišitod skutečné provozní trvanlivosti v dané oblasti použití. V tomto případě spočítaná trvanlivost spolehlivě dosáhne na teoretickou základní hodnotu 1 000 000 otáček i se zohledněním výše zmíněných faktorů a . proto lze konstatovat, že navržené uložení

20


2.8 Kontrola talířových pružin - technické parametry zvolené pružiny viz. katalogový list v příloze 3 - při sériovém řazení pružin se přenášená síla nezvětšuje, dochází pouze ke zvyšování průhybu

Obr. 12 Výpočtové schéma uchycení řetězu k opěrné stojině Vstupní hodnoty: Fř1 = 52.348

síla vyvozená od váhy trubek

Fc ≔ 43.952

síla přenášená jednou pružinou

i=8

počet řetězů přenášených sílu Fř1

k = 1.3


n ≔ 10

počet talířových pružin

s1 ≔ 1.7

maximální stlačení jedné pružiny

Výstupní hodnoty: s ≔ n ⋅ s1 = 17

maximální stlačení svazku pružin

Fř1 Fř ≔ ―― ⋅ k = 8.507 i

síla v jednom řetězu

| = “vyhovuje” if Fc > Fř ‖ “vyhovuje” | ‖ | else | ‖ “nevyhovuje” | ‖ 21


V grafu je červeně vyznačená síla v jednom řetězu při rovnoměrně rozložené hmotnosti ležícího svazku trubek. Stlačení pružin je v tomto stavu předpokládané přibližně 3 mm. Zbývající možné stlačení pružin je vyhrazeno pro tlumení dynamických účinků zakládání trubek. Závislost stlačení svazku pružin na zatěžující síle

22


Použitá literatura [1] LEINVEBER, J., RASA, J., VÁVRA, P. Strojnické tabulky. Praha: Scienta, spol. s.r.o. 1998 [2] KRÁTKÝ, J., HOSNEDL, S. Obecné strojní části 1, Brno: Computer Press, 1999 [3] Katalog převodových motorů od firmy SEW EURODRIVE webová stránka firmy: http://www.sew-eurodrive.cz vybrané stránky katalogu jsou příloze této zprávy [4] Katalog obručových spojek Periflex od firmy RUBENA webová stránka firmy: http://www.rubena.cz vybrané stránky katalogu jsou v příloze této zprávy [5] Katalog válečkových řetězů od firmy MAEDLER webová stránka firmy: https://www.maedler.de webová stránka katalogu: http://smarthost.maedler.de/datenblaetter/K40_43_EN.pdf [6] Katalog ložisek od firmy SKF webová stránka firmy: http://www.skf.com vybrané stránky katalogu jsou součástí této zprávy [7] Katalog talířových pružin od firmy HENNLICH webová stránka firmy: http://www.hennlich.cz vybrané stránky katalogu jsou součástí této zprávy [8] Katalog převodovky od firmy CAVEX webová stránka firmy: http://www.cavex-drivetechnology.com vybrané stránky katalogu jsou součástí této zprávy

23


Příloha č. 1 Katalogový list převodovky CDUW size 180

24


25


Příloha č. 2 Katalogový list pružné spojky Periflex typ 450 od společnosti RUBENA

26


27


Příloha č. 3 Katalogový list talířových pružin od společnosti HENNLICH

28


29


30


doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D., Ing. Zdeněk Raab, Ph.D.,

Ing. Petr Votápek, Ph.D., Bc. Michal Švamberk

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.2.00/28.0056 „Ukázkové vývojové projekty z praxe pro posílení praktických znalostí budoucích strojních inženýrů“.

K 9 MANIPULAČNÍ ZAŘÍZENÍ PRO HUTNÍ PRŮMYSL

Recommend Documents