Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem Výzkumný záměr | MSM 4674788501 2005 - 2011

Výzkumný záměr | MSM 4674788501 2005 - 2011

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem

Technická univerzita v Liberci Studentská 2, 461 17 Liberec, www.tul.cz kontaktní osoba: doc. Ing. František Novotný, CSc. tel.: +420 485 354 103, mob.: +420 604 969 548, [email protected], www.fs.tul.cz/vz

NOV publikace 2011 obalka.indd 1

1/6/12 9:42 AM


1.

Konstrukční a procesní optimalizace

Nové materiály a pokročilé technologie

Vibroizolační prvky a systémy

Optimalizace termodynamických procesů v subsystémech energetických strojů

2. 3. 4.

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI www.tul.cz

Výzkumný záměr propojil výzkumné týmy a přinesl nové kompetence

Členové komise MŠMT při průběžném hodnocení výzkumného záměru na TU v Liberci 4. 10. 2007 (zleva prof. Matoušek, předseda komise prof. Ondráček, Dr. Dobiáš a Ing. Kavan).

Laboratorní ověřování robota lezce bylo úspěšné a napínavé.

Diskuse odborníků různých generací nad výsledky výzkumného záměru byla vždy kořením vědecké práce.

Spolupráce členů řešitelských týmů byla v celém průběhu řešení velmi cenným výstupem výzkumného záměru.

Vydala Technická univerzita v Liberci, Studentská 1402/2, Liberec | prosinec 2011. Autorský tým: doc. Ing. Martin Bílek, Ph.D., Ing. Josef Blažek, Ph.D., Ing. Jiří Blekta, Ph.D., Ing. Pavel Brabec, Ph.D., Ing. David Cirkl, Ph.D., doc. Ing. Václav Dvořák, Ph.D., doc. Ing. Vítězslav Fliegel, CSc., doc. Ing. Karel Fraňa, Ph.D., doc. Ing. Dalibor Frydrych, Ph. D., Ing. Marcel Horák, Ph.D., Ing. Kateřina Horáková, Ing. Vlastimil Hotař, Ph.D., doc. Ing. Bedřich Janeček, CSc., doc. Ing. Jan Jersák, CSc., Ing. Stanislav Jirouš, Ing. Jan Kolaja, Ph.D., prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld, Ing. Aleš Lufinka, Ph.D., Ing. Jiří Machuta, Ph.D., doc. Ing. Miroslav Malý, CSc., Ing. Rudolf Martonka, Ph.D., prof. Ing. Bohdana Marvalová, CSc., Ing. Radek Matějec, Ph.D., Ing. Ivo Matoušek, Ph.D., doc. Ing. Josef Mevald, CSc., Ing. Jaromír Moravec, Ph.D., Ing. Miloš Müller, Ph.D., doc. Ing. Heinz Neumann, CSc., prof. Ing. Iva Nová, CSc., doc. Ing. František Novotný, CSc., doc. Ing. Iva Petríková, Ph.D., Ing. Michal Petrů, Ing. Jan Petřík, Ph.D., prof. Ing. Přemysl Pokorný, CSc., doc. Ing. Ludvík Prášil, CSc., prof. Ing. Celestyn Scholz, Ph.D., Ing. Michal Sivčák, Ph.D., Ing. Pavel Solfronk, Ph.D., prof. RNDr. Jan Šklíba, CSc., prof. Ing. Petr Špatenka, CSc., doc. Ing. Jiří Unger, CSc., prof. Ing. Karel Vokurka, CSc., Ing. Radek Votrubec, Ph.D., Ing. Robert Voženílek, Ph.D., prof. Ing. Jan Žižka, CSc. Grafické zpracování: Jana Vašáková Havlíková | jazyková korektura: Mgr. Miroslav Wallek | tisk: Geoprint, Krajinská 1110, Liberec.

Obsah



1/6/12 9:42 AM


Úvodní slovo doc. Ing. František Novotný, CSc. Výzkumný záměr „Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem“ je zaměřen na 4 základní výzkumné směry. V jedné části se zabývá procesní a konstrukční optimalizací speciálních strojů a zařízení, v druhé části je zaměřen na materiálový výzkum a pokročilé technologie, třetí část je orientována do specifické oblasti hlukových a vibračních signálů a zejména do oblasti vibroizolace, v poslední čtvrté části jsou podrobovány výzkumu vybrané termodynamické děje a jejich aplikace. Vykonavatelem výzkumného záměru je Fakulta strojní a v průběhu řešení svým záběrem využívá poměrně široké spolupráce s dalšími fakultami TU v Liberci. Výzkumná činnost realizovaná ve výzkumném záměru je zaměřena na zvyšování užitných vlastností vybraných typů strojů a zařízení, zejména takových, které mají na Fakultě strojní v programech základního i aplikovaného výzkumu tradičně silnou pozici. Výzkum současně sleduje perspektivní témata souvisejících pracovních procesů, nové konstrukční materiály a pokročilé technologie. Cíleně navazuje na úspěšné výsledky předchozích výzkumných záměrů, na mezinárodně uznávané aktivity ve vědecko-výzkumné činnosti a reaguje na světové trendy ve vědě, výzkumu a průmyslu. Předmět výzkumného záměru spočívá v optimalizaci vlastností strojů a zařízení v interakci s novými pracovními procesy s akcentem na jejich výkonové parametry a na vysokou jakost výrobků při snižování energetické náročnosti a škodlivých emisí. Cílem výzkumného záměru je komplexní řešení specifických problémů z oblasti strojírenské techniky zaměřené na optimalizaci vlastností strojů a zařízení v interakci s inovativními pracovními procesy. Konstrukční a procesní optimalizací byla a jsou průběžně navrhována nová řešení konstrukčních uzlů strojů a zařízení pro extrémní dynamická zatížení a optimalizován tvar a funkce pracovních orgánů a nástrojů pro minimální energetickou náročnost a jakost produkce. Důraz je kladen na minimalizaci vzniku vibrací a hluku optimalizací vibroizolačních prvků, na aktivní řízení vibroizolačních systémů, na sledování jejich účinku na člověka a kvalitu pracovního prostředí, zvyšování životnosti i výkonnosti strojů. Vlastnosti strojů jsou v souladu se zvolenými optimalizačními kritérii, paralelně modifikovány výzkumem fyzikálních a užitných vlastností nových materiálů a speciálními technologickými postupy.

V sekci 1 výzkum zahrnuje procesní optimalizaci vodíkového motoru se zaměřením na extrémní snížení emisí do ovzduší s přímým zacílením na budoucí předpisy ZEV (Zero Emision Vehicle). Výzkum aktivně řízeného podvozku automobilu sleduje vhodnou implementací elektromechanických prvků do podvozku automobilu zvýšení bezpečnosti jízdy a zmenšení manévrovacího prostoru při otáčení a parkování. Výzkum v oblasti procesní optimalizace tvarování skla a konstrukční optimalizace robotizovaných manipulací přinesl novou metodiku modifikované viskoelastické odezvy sklovin, nástroj pro optimalizaci chlazení sklářských forem, nová vakuová chapadla pro manipulaci s plochým sklem a novou metodiku objekt-ivního určování jakosti plochého skla. Výzkum v oblasti navíjecích a odvíjecích systémů přinesl nové poznatky o fyzikální podstatě navíjecích procesů. Nové principy navíjení uplatňují v novém zařízení mechatronické moduly a nové materiály umožňující zvýšit rychlost a eliminovat rázové projevy nitěnek. Nové postupy zformulované pro metodu Rapid prototyping umožnily realizovat tvarově a rozměrově nové prototypy s požadovanými fyzikálními vlastnostmi na novém unikátním zařízení.

V sekci 2 byla činnost zaměřena na materiálový výzkum a pokročilé technologické procesy. Materiálový výzkum byl orientován na výzkum zpracovatelnosti a aplikačního potenciálu aluminidů, na procesy modifikace povrchů tenkými vrstvami, zejména uhlíku pro řezné nástroje, uhlíko – polymerové nanokompozity na bázi textilních materiálů, up-scaling modifikaci v nízkotlaké plazmě pro PE, PP a semena. V technologické oblasti výzkum zahrnuje monitorizaci a popis časových průběhů teplot a tlaků při zpracování plastů, technologických parametrů, podmínek zpracování plastů a konstrukci forem s nekonvenčním způsobem temperace. Výzkum je směrován na využití numerických metod pro optimalizaci tváření kovů, tváření s proměnným přidržovacím tlakem, tribologii a na popis deformace procesů tváření, na výzkum v oblasti slitin hliníku a modifikovaných litin, simulace tlakových procesů lití, na simulace a optimalizace svařování aluminidů včetně stanovení svařovacích parametrů k predikci vad. Výzkum technologie obrábění směřoval k optimalizaci hraničních technologických parametrů obrábění, sledování a predikci integrity povrchu a řezných podmínek obrábění a na monitorizaci procesu broušení supertvrdými brousicími kotouči a aplikace analýzy signálu akustické emise.

Úvodní slovo

1


V sekci 3 výzkum hlukových a vibračních signálů spočívá v experimentálním ověřování metod pro časově-frekvenční analýzu kavitačního šumu a zdokonalování algoritmů pro analýzu vibrací převodovek a optického vyzařování z kavitačních bublin. Výzkum vibroizolačních prvků se uskutečňoval realizací experimentálních zařízení, měřením statických a dynamických charakteristik kompozitních materiálů s pryžovou matricí a sledováním vlivu stárnutí kompozitního materiálu na jeho dynamické a útlumové vlastnosti. Byly zpřesněny simulační modely vlnovcových pneumatických pružin a pro modelování pěnových materiálů bylo ověřováno užití metody umělých neuronových sítí. Byla realizována měřící platforma pro dynamickou analýzu rozložení tlaku v kontaktní zóně sedačka-člověk a prováděno měření absorpce energie mechanických vibrací a sestaven zjednodušený biomechanický MKP model sedícího lidského těla. Dokončeny byly práce k aplikaci řízeného magnetoreologického tlumiče na sanitním lehátku, došlo k zpřesnění modelu dvouplášťového automobilového hydraulického tlumiče s dvoufázovou kapalinou, testovacímu měření tlumičů a ladění software pro ovládaní průtoku komorou v závislosti na tlaku kapaliny. Paralelně se provádělo měření obsahu vzduchu v hydraulickém oleji pomocí akustického bublinkového spektrometru. Výzkum vibroizolačních systémů sledoval ověřování systémů aktivního řízení mobilních soustav, měřením na čtvrtinovém modelu podvozku, ověřováním funkce fyzikálních modelů sanitního lehátka a automobilové sedačky na speciálních zkušebních zařízeních. Soustava sanitního lehátka byla rozšířena o PID regulaci tlaku v pneumatických pružinách. Autoreflexní vibroizolační systém pružícího podstavce sedadla řidiče byl realizován jako pneumaticko – mechanický systém včetně elektronického řízení. Byl zahájen výzkum účinků vibrací na lidský organismus při působení v obecném směru a byla navržena kritéria pro posuzování účinků vibrací na člověka. Výzkum robotizovaného podvozku určeného pro zdravotně sociální užití vyústil do funkčního modelu podvozku.

v ejektorech a metodám optimalizace subsonického ejektoru. Byl odladěn algoritmus optimalizace vnitřního tvaru razníku pro lisování skla. Výzkum kavitace sledoval kolaps laserem generované bublinky, proběhla implementace analytického modelu a vyhodnocení erozivního potenciálu kavitace podél pevných stěn a testovací měření spektra bublin pomocí akustického bublinkového spektrometru. Proběhl výzkum kavitace za škrtícím elementem hydraulického tlumiče. Výzkumem kavitace v tekutinových mechanismech proběhla implementace jednorozměrného modelu kavitační bublinky do komplexního modelu fyzikálního a matematického popisu kavitační eroze obtékaných těles – lopatek. Probíhá výzkum kavitace ve vodě zaměřený na experimentální vyšetřování kolapsu teplem a pulsem generované bublinky v různých vzdálenostech od pevné a pružné stěny.

Výzkumný záměr „Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem“ je zaměřen do čtyř základních oblastí výzkumu: • výzkumné směry v první části se zabývají procesní a konstrukční optimalizací speciálních strojů a zařízení;

V sekci 4 byla výzkumem termodynamických dějů řešena problematika stability mezní vrstvy, kanálového proudění, ovlivnění příčným pulzujícím proudem tekutiny a problematika termoakustiky. Pro studium stability mezní vrstvy byla navržena tažná nádrž pro simulaci obtékání těles v různých režimech v klidné kapalině a byly provedeny experimenty vizualizace kanálového proudění metodou PIV. Studium pulzujících proudů bylo zaměřeno na stanovení charakteristik budících členů, interferometrická měření průhybu membrány s naměřeným rychlostním polem na výtoku z trysky a studia termoakustiky a buzení syntetizovaných proudů. Probíhalo zdokonalování holografické inter ferometrie pro identifikaci nestacionárních teplotních polí. Výzkum syntetizovaných proudů vedl k identifikaci směšovacích procesů

2 Úvodní slovo

• v druhé části je zaměřen na materiálový výzkum a pokročilé technologie; • třetí část je orientována do specifické oblasti hlukových a vibračních signálů a zejména do oblasti vibroizolace; • v poslední čtvrté části jsou podrobovány výzkumu vybrané termodynamické děje a jejich aplikace. Vykonavatelem výzkumného záměru je Fakulta strojní a v průběhu řešení svým záběrem využívá široké spolupráce s dalšími fakultami TU v Liberci.


Výzkumný záměr: „Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem“ – řízení práce výzkumného záměru, řešitelský tým Technická univerzita v Liberci získala ve veřejné soutěži sedmiletý projekt (2005 - 2011) – výzkumný záměr „Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem“ – s uznanými náklady v celkové výši 169,7 mil. Kč (jako příjemce formou dotací z MŠMT obdržela 137 mil. Kč a spoluúčast činila 32,7 mil. Kč). Cílem výzkumného záměru bylo komplexní řešení specifických problémů z oblasti strojírenské techniky zaměřené na optimalizaci vlastností strojů a zařízení v interakci s inovovanými pracovními procesy se zaměřením na zvýšení jejich výkonnosti, životnosti a snížení energetické náročnosti, zlepšení pracovního prostředí minimalizací vibrací, hluku a užitím nových materiálů a perspektivních technologií.

Projektový tým, který zahrnoval v průběhu řešení až 75 tvůrčích pracovníků a představoval 28,5 přepočteného úvazku, byl na dobu řešení rozdělen do čtyř pracovních sekcí, ve kterých byla řešena tematicky blízká problematika. Do čela každé sekce byli ustaveni vedoucí, kteří zajišťovali operativní odborné řízení dílčích úkolů řešených v příslušné sekci. Rozdělení do čtyř řešitelských týmů usnadnilo i ekonomické řízení projektu.

Vývoj kvalifikace členů řešitelského týmu v letech 2005 - 2010

Kvalifikační struktura řešitelského týmu v letech 2005 - 2010

Činnost výzkumného záměru je řízena manažerským týmem ve složení: doc. Ing. František Novotný, CSc. – řešitel výzkumného záměru a vedoucí sekce1; prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld – vedoucí sekce 2; doc. Ing. Ludvík Prášil, CSc. – vedoucí sekce 3; doc. Ing. Jiří Unger, CSc. – vedoucí sekce 4; Ing. Jiří Pech – správce rozpočtu. V uplynulých šesti letech byl průběh prací, plnění cílů a výsledků řešení výzkumného záměru každoročně hodnocen vnitřním auditem - oponentní radou, jejímiž členy byli pracovníci z akademických pracovišť a ÚT AV ČR.

Oponentní rada pracovala v ustáleném složení: prof. Ing. Jaromír Příhoda, CSc. předseda komise, ÚT AV ČR Praha doc. Ing. Pavel Baumruk, CSc. člen komise – oponent, FS ČVUT v Praze Ing. Milan Hortel, DrSc. člen komise – nezávislý expert Praha RNDr. Pavel Jonáš, DrSc. člen komise – oponent, ÚT AV ČR Praha Prof. Ing. Ctirad Kratochvíl, DrSc. člen komise – oponent, FSI VUT v Brně prof. Ing. Jaroslav Menčík, CSc. člen komise – oponent, Univerzita Pardubice doc. Ing. Pavel Rumíšek, CSc. člen komise – oponent, FSI VUT v Brně Vnitřním auditem byla podrobně hodnocena úroveň věcného plnění dílčích úkolů hodnocené etapy řešení výzkumného záměru, podrobně byly rozebrány dosažené výsledky a kriticky zhodnoceny uplatněné výstupy, přičemž v pěti oponentních posudcích byly zevrubně hodnoceny písemné podklady v úhrnném rozsahu cca 1200 stran textu. Jednotlivé etapy řešení výzkumného záměru byly rovněž hodnoceny auditem MŠMT, pro který byly zpracovány 3 periodické zprávy s příznivým hodnocením, které bylo základem pro zařazení výzkumného záměru do nejvyšší kategorie A.

Řešitelský kolektiv výzkumného záměru Řešitelské týmy jednotlivých sekcí výzkumného záměru byly složeny z odborníků z různých vědních disciplin, čímž byla zajištěna spolupráce lidí s hlubokými znalostmi fyzikálních principů, matematických metod zpracování a optimalizace dat, s technology, konstruktéry a procesními techniky, laboranty, odborníky na software a hardware a na řízení procesů strojů a zařízení. Z grafu nahoře je patrný vývoj řešitelského týmu z hlediska kvalifikační struktury v průběhu řešení VZ v letech 2005 – 2010 (rok 2011není zahrnut do statistiky). Je patrné, že došlo k výraznému posunu kvalifikace klíčových pracovníků řešitelského týmu. V souvislosti s řešením problematiky výzkumného záměru bylo úspěšně obhájeno 26 disertačních prací, 17 členů řešitelského týmu získalo doktorát v době řešení výzkumného záměru, bylo zpracováno a úspěšně obhájeno 14 habilitací a podařilo se uplatnit 8 profesorských řízení. Je možné konstatovat, že vedle zkvalitnění kvalifikační struktury řešitelského týmu byla rovněž, na platformě široce tematicky zaměřeného výzkumu v rámci VZ, realizována řada disertačních prací v rámci doktorandského studia na pracovištích FS, došlo k obohacení doktorské i magisterské výuky ve studijním programu Strojní inženýrství, v oborech Konstrukce strojů a zařízení, Aplikovaná mechanika, Strojírenská technologie, Materiálové inženýrství a v doktorském programu Stroje a zařízení. Řešením VZ se zabývala značná část výzkumných kapacit Fakulty strojní a do řešení byla zapojena řada odborníků z dalších fakult TU v Liberci. Na výzkumném záměru nalezlo hlavní výzkumné uplatnění 41 klíčových pracovníků s více než 50% pracovního úvazku a 12 dalších výzkumníků s menším úvazkem, celkový pracovní úvazek výzkumného záměru na počátku řešení v roce 2005 činil 28,1 přepočteného úvazku a v roce 2010, tj. v předposledním roce řešení, nalezlo na řešení problémů výzkumného záměru uplatnění 77 tvůrčích pracovníků.

Výzkumný záměr

3



• Výsledky výzkumu podtlakových úchopných hlavic; • Analýza obrazu s užitím fraktální geometrie; • Optimalizace nástrojů pro tvarování skla; • Vývoj nového dokonalého křížového vinutí DPKV a zařízení pro jeho navíjení; • Konstrukční a procesní optimalizace vodíkového motoru; • Optimalizace uzlů aktivně řízeného podvozku; • Vývoj prototypů výrobků a reverse engineering.

4


1.


Výsledky výzkumu podtlakových úchopných hlavic Ing. Marcel Horák, Ph.D. doc. Ing. František Novotný, CSc. Během řešení výzkumného záměru byly významné výsledky rovněž dosaženy při optimalizaci podtlakových úchopných hlavic pro robotizovanou manipulaci s plochými objekty. Počítačovou simulací byla provedena podrobná analýza deformačního chování úchopných prvků - přísavek (obr. 1) s výrazně reologickým chováním a stanovena deformační míra bezpečnosti, s ohledem na deformace kontaktní plochy mezi přísavkou a objektem manipulace, při působení externích zátěžných sil a klopných momentů.

obr. 1 Deformace úchopného prvku během radiálního zatěžování (průběh kontaktních sil).

Byl prováděn experimentální výzkum frikčních poměrů na rozhraní plochého skla a úchopného prvku a optimálního rozmístění a počtu jednotlivých přísavek na rámu úchopné hlavice vzhledem k uchopené tabuli skla s cílem minimalizovat deformace tabule. Ty jsou dány nízkou příčnou tuhostí a v konečném důsledku mohou způsobovat nadlimitní průběh hodnot napěťového pole v uchopené tabuli a zejména při dynamickém režimu manipulace pak dochází k progresi mikrotrhlin šířících se od lomových hran skla vedoucích až k poškození tabule nebo její destrukci. Vysoké hodnoty deformací vedou k nežádoucím kontaktům v odkládacích pozicích nebo s perifériemi výrobních strojů. Optimální konstrukce úchopných hlavic umožňuje vhodným rozmístěním přísavek minimalizovat nadměrné zatěžování uchopeného objektu a eliminovat vady výrobků vázané na proces manipulace. Na obr. 2 jsou prezentovány

výstupy z počítačové modální analýzy soustavy: úchopná hlavice – přísavky - uchopená tabule skla, ze kterých je patrná optimální poloha čtyř přísavek symetricky úhlopříčně umístěných vzhledem k těžišti tabule. Výstupy experimentů a počítačové simulace byly shrnuty do efektivně využitelného databázového softwaru (obr. 3). Získané zkušenosti v simulaci kontaktních úloh lze uplatnit ve výrobě plochého skla technologií FLOAT a v následných zpracovatelských procesech, ve kterých je řada technologických operací doplněna automatickými systémy manipulační techniky. Ve výrobě se jedná zejména o manipulaci s jumbo formáty s maximálními rozměry 3.21 x 6 m, kdy jde o transport tabulí z válečkové trati výrobní linky do speciálně navržených přepravních palet. Manipulační technika s jednoúčelovými speciálními manipulátory má omezenou míru flexibility, současným trendem automati-

zace je náhrada manipulátorů dvěma multiúhlovými průmyslovými roboty se šesti stupni volnosti a multikontaktními podtlakovými úchopnými hlavicemi (obr. 4). Řešení manipulační úlohy, manipulačního zařízení a úchopné hlavice si vyžádalo splnit podmínky šetrné a bezdestrukční manipulace. Zásadním parametrem ovlivňujícím kvalitativní charakter manipulační úlohy s jumbo formátovými přířezy plochého skla, je přesnost polohování kinematického řetězce průmyslového robotu. Je definována jako rozdíl ΔPV0iA,B mezi skutečnou a žádanou polohou koncového členu průmyslového robotu, tj. ΔPV0iA,B = PV0iA,B,REAL - PV0iA,B,IDEAL, kde PV0iA,B, REAL a PV0iA,B, IDEAL jsou vektory 6x1 popisující polohu natočení koncového bodu robotu a pozici pojezdového ústrojí vzhledem k referenčnímu souřadnému systému a závisí na polohové konfiguraci a strukturálních parametrech kinematického řetězce (obr. 5).

Výsledky výzkumu podtlakových úchopných hlavic

5


A

B

obr. 2 Optimální poloha přísavek, tloušťka tabule 1,6 mm (A - čtvercová deska, B - obdélníková deska s typickým poměrem stran √2 ).

obr. 3 Vakuum OPTIM - výpočetní software.

6


obr. 4 Kooperace dvou multiúhlových robotů při manipulaci s plochým sklem.

obr. 5 Přesnost polohování.

Uplatnění dvou paralelně kooperujících robotů při manipulaci s jumbo formáty plochého skla s sebou přináší nové požadavky na konstrukci úchopných hlavic a zajištění pohybové koordinace dráhy obou robotů. V rámci výzkumu byla pro nasazení dvou kooperujících robotů provedena metodou konečných prvků analýza mechanického chování uchopené tabule skla (3.21 x 6 x 0.004 m) vzhledem k rozdílné orientaci os dvou 16-ti prvkových úchopných hlavic s kompenzátorem polohy s definovanou osovou tuhostí (obr. 6). Nové technologické postupy přinášejí nové požadavky na realizaci uchopovacího procesu. Vyžadují uchopení za jednu stranu desky bez možnosti využití jejich okrajů v režimech manipulace se sklem ve vertikální poloze tabule a s namáháním přísavek v rovině kontaktu. Takové zatížení ovlivňuje geometrii kontaktní plochy vlivem frikčních, adhezních a materiálových vlastností elastomeru a míry podtlaku, což může vést až ke kolapsu uchopení.

obr. 6 Kompenzátor polohy.

obr. 7 Podtlakový úchopný prvek s adhezívní kontaktní plochou: a – konstrukční řešení s pneumatickou kompenzací polohy; b – skutečné provedení.

Byla navržena nová koncepce podtlakového úchopného prvku s adhezní kontaktní plochou, která zvyšuje nosnost v radiálním směru při současném snižování potřebné úrovně vakua. Konstrukční řešení (obr. 7) je založeno na kombinaci podtlakového úchopného prvku s tuhou přírubou, pružným těsnícím lemem a výsuvnou polohovatelnou deskou opatřenou adhezní vrstvou, na toto řešení byl udělen užitný vzor a byla podána přihláška vynálezu, realizace je patrná na obr. 10.

Princip je využitelný v širokém spektru manipulačních a uchopovacích procesů. Je vhodný pro nerovné a hrubé povrchy objektů a obecně pro aplikace, ve kterých působí externí síly paralelně s rovinou uchopení. Řešení rovněž minimalizuje spotřebu tlakového vzduchu a zároveň zachovává úroveň silové odezvy. Lze deklarovat, že adhezní vrstva spolu s opěrnou deskou má výrazný vliv na stabilitu uchopení a projevuje se výrazným nárůstem únosnosti. U stabilního kontaktu je nárůst únosnosti v průměru o 60 %.

Výsledky výzkumu podtlakových úchopných hlavic

7


Analýza obrazu s využitím fraktální geometrie Ing. Vlastimil Hotař, Ph.D. V rámci výzkumného záměru byla vyvinuta metodika pro objektivní hodnocení jakosti výrobků s použitím matematické statistiky a fraktální geometrie. Cílem byla kvantifikace obrazu zachycujícího hladké i složitě strukturované geometrické prvky, což vedlo k nutnosti použít několika matematických nástrojů společně pro objektivní a jednoznačný popis obrazu. Výzkumem byl získán nástroj pro převod získaných dat do jediného určujícího čísla popisujícího objektivně jakost výrobku. Aplikační potenciál vyvinuté metodiky byl odzkoušen pro kontrolu jakosti plochého skla pomocí tzv. corrugation testu (test zvlnění), který se provádí v temné místnosti a je založen na odrazu světla na vzorcích ze 4 m vzdálené zebra desky, což je matovaná skleněná tabule o rozměru 2 x 1 m s šikmými černými pruhy. Pozorovatel vizuálně a tedy subjektivně porovnává kvalitu vzorků s etalony. Vzorky se řadí do tříd jakosti od 1,5 do 3,5).

obr. 1 Schéma zařízení pro off-line vyhodnocení jakosti plochého skla: A – zebra deska, B – fotoaparát, C – stůl s přířezem skla, D – vyhodnocovací jednotka (počítač), E – stativ, F – snímek přířezu s odrazem zebra desky, G – získané křivky rozhraní.

Cílem bylo tento off-line test objektivizovat pomocí fotoaparátu, přímo komunikujícího s počítačem a následnou obrazovou analýzou vyhodnotit jakost. Snímkování odrazu zebradesky je prováděno v černobílém módu a snímek je automaticky převeden do počítače. Obrazová analýza v sobě zahrnuje několik nutných kroků: Snímek odrazu zebradesky je automaticky nalezen, je v něm vybrána a následně digitálně vyříznuta potřebná část pro analýzu. Vzhledem k charakteru snímku (kde černé pruhy splývají s okolím) bylo nutné vyvinout metodu pro přesné určení polohy skla. Prahováním (jedna ze základních metod obrazové analýzy) je získán binární snímek a z něj jsou definovány křivky rozhraní. Pro každou křivku je provedena analýza a výsledky pro všechny kompletní křivky jsou prezentovány pro jeden vzorek jako průměrná hodnota, rozpětí výsledků a směrodatná odchylka. Metodika tedy nehodnotí celý snímek, ale generuje křivky, které jednoznačně odpovídají jakosti skla. Pro analýzu byly využity tři metody popisu, vedle statistických nástrojů (rozpětí, rozptyl, směrodatná odchylka, variační koeficient, odchylka od ideální křivky a dalších) byl použit odhad fraktální dimenze (pomocí obvodové metody je výsledkem tzv. obvodová dimenze) a měření délek křivek.

8

obr. 2 Porovnání dvou snímků a jejich stanovené jakosti.


Pro hodnocení jakosti tak bylo použito několika parametrů, které jsou získány diametrálně odlišnými metodami. Důvodem je vnímání lidského oka, které vnímá jak pravidelné struktury, tak odhaduje zároveň i míru složitosti (strukturovanosti) sledovaných objektů. Obrazová analýza proto musí obsahovat jak klasické statistické nástroje, tak fraktální dimenzi a další. Analýzou stovek dřívějších měření novou metodikou byly vypočtené parametry měření porovnány s dřívějším subjektivním hodnocením a přepočteny pomocí váhových koeficientů, což umožnilo zachovat původní vnitřní normu rozdělující sklo podle zvlnění do tříd jakosti v intervalu hodnot od 1,5 do 3,5. Výsledky metodiky obrazové analýzy byly implementovány do softwaru Vlnitost, který byl vyvinut v prostředí Matlab 7 a kompilovány pomocí programu Matlab-Compiler 4 do samo-spustitelného programu, který není závislý na prostředí Matlab, ale pouze na jeho knihovnách, nainstalovaných v počítači. Většina úkonů hodnocení jakosti plochého

skla je podle nové metodikyautomatizována a analýza včetně automatického snímkování (komunikace mezi počítačem a fotoaparátem) odstartována jediným tlačítkem. Pro standardní parametry vzorku, zadané operátorem, je analýzou podle softwaru objektivně vyhodnocena výsledná jakost. Výsledky a zadané parametry vzorku jsou dlouhodobě archivovány tak, aby bylo možno sledovat změny jakosti v čase. Základní poznatky z vývoje obrazové analýzy v rámci výzkumného záměru byly použity pro návrh, instalaci a oživení zařízení v provozu, což bylo realizováno v rámci průmyslového grantu s firmou AGC Flat Glass Czech, a.s., Teplice. Dalším logickým krokem v implementaci metodiky v průmyslu je její využití pro objektivní hodnocení přímo na lince. Vyvinutá metodika a získané zkušenosti s provozem off – line zařízení byly využity pro provozní ověření on-line zařízení umístěného na lince a provedené experimenty prokázaly možnost efektivního funkčního nasazení pro kontinuální sledování jakosti v provozních podmínkách.

Matematický fraktál - obdivuhodný výtvor matematiky s vysokou estetickou hodnotou.

Analýza obrazu s využitím fraktální geometrie

9


Optimalizace nástrojů pro tvarování skla Ing. Ivo Matoušek, Ph.D. V rámci výzkumného záměru byla řešena také problematika optimalizace technologických procesů tvarování skloviny. Byla vytvořena dvoustupňová metodika prediktivní optimalizace umožňující na základě požadovaného vývoje teplotních a deformačních polí, rychlostí deformace a průběhu technologických parametrů tvarovacího cyklu, optimalizovat konstrukci a chlazení tvarovacích nástrojů. Jádrem systému je komplexní virtuální nelineární termomechanický model MKP. Pro zpřesnění popisu reologických vlastností je virtuální model doplněn o externí nástroje, umožňující na základě vyhodnocení experimentálně naměřeného průběhu viskoelastické odezvy válcového vzorku skloviny na vnější tlakové zatížení identifikovat elastické a tokové vlastnosti tvarované skloviny v závislosti na její viskozitě a rychlosti deformace. Základem použitého algoritmu je analytický model vytvořený pro efektivní popis průběhu silové odezvy viskozitního válečku na vnější tlakové zatížení, zohledňující reálné podmínky experimentu, tj. velké deformace a proces disipace deformační energie. Navrženou metodiku lze efektivně uplatnit v předvýrobní fázi při modifikaci konstrukce sklářských tvarovacích nástrojů a systému jejich chlazení. Obvyklým optimalizačním kriteriem je minimalizace teplotních diferencí po-

a.

dél pracovního povrchu tvarovacích nástrojů, především ve fázi dávkování skloviny a také během lisování. Minimalizace teplotních gradientů a teplotních špiček na pracovním povrchu tvarovacího nástroje kladně ovlivňuje jakostní

b.

parametry vyráběné produkce, zvyšuje stabilitu tvarovacího cyklu a zároveň má pozitivní vliv na zkrácení tvarovacího cyklu (obr. 1).

c.

obr. 1 Rozložení teplotních polí ve vybraných modifikacích sklářské formy – a. - výchozí stav, b. - optimalizované řešení - 7. iterace, c. - optimalizované řešení při zkrácení tvarovacího cyklu o 10%.

Využití prediktivní optimalizace u tvarově složitých vodou chlazených razníků umožnilo vytvořit novou koncepci chlazení, jejíž aplikce založená na cílených konstrukčních úpravách poskytuje výrazné možnosti pro ho-

10

mogenizaci rozložení teplotních polí podél pracovního povrchu, stabilizaci tvarovacího cyklu a snížení výskytu technických problémů a výrobních vad (obr. 2 a 3).

Navrženou metodiku lze efektivně využít i v případě lisování tvarově složitějších skleněných výlisků pro optické aplikace, kde je kladen důraz na dosažení extrémních rozměrových a geometrických tolerancí.


a.

b.

obr. 2 Rozložení teplotních polí v razníku v okamžiku dávkování – výchozí návrh (a.), finální modifikace (7. iterace).

obr. 3 Porovnání teplotních rozdílů podél pracovního povrchu razníku v horizontální rovině vzdálené 70mm ode dna – v okamžiku dávkování skloviny.

Optimalizace nástrojů pro tvarování skla

11


Vývoj nového dokonalého přesného křížového vinutí DPKV a zařízení pro jeho navíjení doc. Ing. Martin Bílek, Ph.D. Výzkumem přesného křížového vinutí bylo u současných navíjecích strojů zjištěno zvětšování osových vzdáleností sousedních navíjených nití s rostoucím poloměrem navíjené cívky. Mezery dosahují u běžných textilních cívek cca 30%, v určitých případech mohou přesáhnout 100% tloušťky navíjeného materiálu. Vznik mezer způsobuje nejenom estetické vady, např. u návinů šicích nití. Pokud je z provozně-technologických důvodů třeba do daného objemu cívky umístit co nejvíce materiálu, jsou problémy vážnější. Typickým příkladem jsou cívky s kobercovou, případně jinou silnou přízí, šňůrou, nebo lanem. Rozměry těchto cívek jsou omezeny danou technologií, z provozních (častá výměna cívek, prostoje), popřípadě kvalitativních důvodů (nutnost častého navazování a vznik uzlů) a často i z důvodů přepravy, kdy je požadována minimalizace objemu cívky. Problém byl zkoumán teoreticky a byla zjištěna příčina, která způsobuje zvětšování osových vzdáleností sousedních navíjených nití s rostoucím poloměrem navíjené cívky u současných navíjecích strojů a byl definován vztah určující zvětšování osových vzdáleností sousedních navíjených nití, v závislosti na rostoucím poloměru, soukacímu poměru a šířce navíjené cívky. Analýza poskytla řadu nových obecně platných poznatků a teoretických vztahů, které usnadňují výpočty převodů navíjecích strojů. Výsledkem řešení tohoto problému bylo vytvoření nového systému dokonalého přesného křížového vinutí (DPKV), u kterého bylo aplikováno tzv. řízené navíjení, které je možné aplikovat do mechanizmu pro přesné křížové vinutí. Řízené navíjení umožňuje pomocí vypočteného řídicího programu řídit převodový poměr mezi vřetenem a rozváděcím mechanismem až na sedmém místě za desetinnou čárkou a navíjet nitě se stejnou osovou vzdáleností, bez mezer, v celém průřezu

obr. 1 Model navíjecího stroje pro DPKV.

12

navíjené cívky, což umožňuje realizovat náviny s vyšším využitím daného objemu v průměru o 5-25%, ve spojení se speciálními technologiemi až o 100 %. Byly vypočteny, navrženy a zrealizovány dvě varianty navíjecích systémů s DPKV. V první variantě bylo pro řízení převodu v průběhu navíjení využito vypočtené vačky a vypočtených křivkových /globoidních/ řemenic, což představuje mechanicko-analogový systém řešení DPKV, který má určitá omezení v možnosti volby změny parametrů návinu (soukací poměr) a změny rozsahu jemností navíjených nití, při změně kterých je nutný výpočet, výroba a výměna nových vaček a řemenic. V druhé variantě bylo pro funkční vzorek navíjecího stroje pro DPKV využito současného vývoje v oblasti řízených převodů, který umožňuje programové řízení převodu dvou os pohonů již na osmém místě za desetinnou čárkou. To s uplatněním teorie DPKV umožnilo využití řízených pohonů na aplikaci pro návrh a realizaci modelu navíjecího stro-

je, čímž se zjednodušila a zefektivnila realizace tohoto zařízení, které se tak stává flexibilnějším tím, že změny parametrů návinů v širším rozsahu je možné zadávat softwarově bez nutnosti výroby a výměny drahých převodových komponent. Tato metoda je však náročnější na přípravu a programování softwaru. Výsledky teorie DPKV umožnily dále návrh a realizaci dnes již výrobně ověřeného programu „SPIRAL“, který umožňuje na základě požadovaných parametrů přesného křížového návinu cívky skleněného rovingu (vzdálenost navíjených vláken, počet bodů vratů na čele cívky, úhel stoupání na konci návinu, a řada dalších) vypočítat a vybrat optimální převodový poměr dvou řízených převodů navíjecího stroje na 8 desetinných míst za desetinnou čárkou, vykreslit počet a požadované délky spirál tvořených body vratu na čele navíjené cívky s možností jejich korekce, délky návinu, dobu návinu a další technologické parametry navíjecího procesu, které dosud bylo nutné pracně počítat, zkoušet a ověřovat.

obr. 2 Pohled na funkční vzorek navíjecího stroje pro DPKV a detail návinu.

Vývoj nového dokonalého přesného křížového vinutí DPKV a zařízení pro jeho navíjení


Vodíkové motory a podvozky 1. Konstrukční a procesní optimalizace vodíkového motoru Prof. Ing. Celestyn Scholz, Ph.D. Ing. Josef Blažek, Ph.D. V laboratoři vozidel a motorů Technické univerzity v Liberci bylo vybudováno stanoviště pro výzkum spalovacího motoru na vodík (obr. 1). Vodík je přiveden vysokotlakým vedením (20 MPa) od zdroje a před injektáží do motoru je tlak paliva regulován na 1 – 10 MPa. Stanoviště je vybaveno novou měřicí technikou pro zjišťování výkonových parametrů motoru, spotřeby vzduchu a paliva, měření tlaku uvnitř válce motoru, měření tlaků v přívodu paliva k jednotlivým vstřikovačům, tlaku v palivovém railu motoru, měření jednotlivých složek emisí ve výfukových plynech a v klikové skříni. V rámci řešení projektu vodíkového motoru byla optimalizována příprava směsi ve válci motoru prostřednictvím přímé injektáže. Předností je zvýšení účinnosti a odstranění nestandardních jevů spalovacího motoru. Vodíkový motor s přímou injektáží vodíku do válce je připravován pro ověření parametrů v osobním automobilu. Dále byl prováděn výzkum nového typu zapalovací svíčky s obloukovým výbojem, při němž vznikl užitný vzor č. CZ19702U1 ze dne 8. 6. 2009 a udělen patent č. 302697 ke dni 27. 7. 2011.

Simulační model motoru 1.2 H2 - DI.

obr. 1 Brzdové stanoviště vodíkového motoru s detailním pohledem na motor, s ukázkou zástavby různých typů palivového railu a simulačního modelu motoru.

Vodíkové motory a podvozky

13


Vodíkové motory a podvozky 2. Optimalizace uzlů aktivně řízeného podvozku doc. Ing. Miroslav Malý, CSc. Ing. Robert Voženílek, Ph.D. Ing. Pavel Brabec, Ph.D. Na katedře vozidel a motorů (KVM) FS TUL bylo vytvořeno zkušební zařízení pro zkoumání systémů směrového řízení vozidel. Na zkušebním zařízení je možné analyzovat mechanické a další vlastnosti jednotlivých konstrukčních uzlů a vytvářet řídicí a regulační algoritmy pro ovládání těchto systémů. Zkušební zařízení umožňuje začlenit do zkoušené soustavy i reálnou pneumatiku a pružné uložení členů nápravy. Vyměnitelná podložka pod pneumatikou umožňuje simulaci chování systému pro různé typy povrchů s rozdílným součinitelem adheze (v rozmezí asfalt - led). Posuvné vedení pod pneumatikou umožňuje vytvářet změnu zatížení nápravy např. v závislosti na obsazení vozu.

V rámci řešení projektu se na zkušebním zařízení provádí ověřování vlastností systému směrového řízení typu by–wire pro použití v osobním automobilu. Během řešení vznikl užitný vzor č. 22389U1 ze dne 22. 2. 2011 a byla podána přihláška vynálezu.

obr. 1 Speciální modulová koncepce zkušebního zařízení pro testování systémů směrového řízení osobních automobilů v laboratoři Katedry vozidel a motorů.

14

Vodíkové motory a podvozky


Vývoj prototypů výrobků a reverse engineering prof. Ing. Přemysl Pokorný, CSc. V rámci výzkumného záměru na Katedře výrobních systémů byl sledován vývoj metod Rapid Prototyping a Reverse Engineering s možnostmi jejich aplikací. Obě metody umožňují podstatné zkrácení času ke zhotovení prvotních prototypů nových výrobků, ale i vytvoření dat a kopií složitých výrobků bez dokumentace. Postup tvorby prototypů byl až dosud klasický s uplatněním běžných technologií. Rapid Prototyping nyní uplatňuje nové postupy, a to nanášením materiálu. Je to nový přístup, který vychází z možností modelování výrobků virtuálně v CAD jako solid 3D objekty, které se zpracují do podoby složené z horizontálních řezů a tyto se pak postupným nanášením materiálu reálně sestaví (spojí). Obrovskou výhodou tohoto postupu je, že jakmile jsou připravena data o výrobku ve 3D, ve velice krátké době (řádově hod.) je k dispozici fyzický reálný produkt. Řada výrobců se zabývá a nabízí různá zařízení, která umožní aplikovat odlišné materiály s odlišnou technikou a postupem. Každý způsob a materiál má specifické výhody i nevýhody. Na katedře aplikujeme levnější a přístupnější zařízení pracující na principu nanášení vrstev nataveného plastu (metoda FDM- Fuse Deposition Modeling, plast typu ABS). Zařízení umožní stavbu složitých dílů až do rozměru 210*210*300 mm s tím, že podpory, které jsou nezbytné ke stavbě a pokládání vrstev v převisu, jsou z materiálu, který se snadno rozpustí ve vodě

a lze tedy pracovat s dosti jemnými detaily. Zařízení je typu DIMENSION od firmy Stratasys USA a je ukázáno na obr. 1. Přesto, že je postup a zhotovení relativně snadné, nevýhodou se může ukázat potřeba prototypu z jiného, odolnějšího, materiálu, či početnější série nad jeden kus. V těchto případech navazujeme další technologií, a to zhotovením silikonové formy, která tvoří nástroj pro vakuové odlití dalších (série) prototypů z jiných materiálů (nejčastěji různě modifikovaných pryskyřic), nebo modelů z vosku pro zhotovení skořepinových forem k odlití kovů.

obr. 1a

Odlévání silikonu je rovněž vhodné při obnově poškozených výrobků, či kopii složitého dílu neznámého původu. Vakuum je nezbytné jednak při homogenizaci formy, jednak při odlévání vlastního materiálu ke správnému vyplnění členitých dutin. Postup zhotovení složitého prototypu rotačního dmychadla je ukázán na obr. 2, kde je: a) prototyp z ABS, b) silikonová forma, c) zhotovený odlitek.

obr. 1b

Vývoj prototypů výrobků a reverse engineering

15


obr. 2a

obr. 2b

obr. 2c

Tímto postupem jsou připravovány prototypy značné složitosti, kde je nebezpečí chyby v datech či jiné

úchylky, a skutečným ověřením, testy a měřením lze před zahájením přípravy výroby odstranit zásadní nedostatky. Typ

složitějšího prototypu je zobrazen na obr. 3, kde je: a) pohled na odlitek s jádrem nezačištěný, b,c) konečný prototyp.

obr. 3a

obr. 3b

obr. 3c

Nezbytným a velmi užitečným pomocníkem pro kombinaci výrobek – unikát a tvorba 3D dat s podklady a ověřením v prototypu, je optické měření s REVscan, které je přenosné a umožní s přesností

mm získat informace o tvaru 0,05 součásti v podobě mraku bodů. Tyto jsou pak softwarově převedeny v CAD na 3D těleso. Hlavní výhodou přenosné hlavice je možnost scanování tvarů

hmotných a rozměrných dílů na místě bez nutnosti přemisťování na speciální měřící stanoviště. Ukázka přenosné hlavice je na obr. 4 a některé z vývojových prototypů výrobků na obr. 5.

obr. 4

16

Vývoj prototypů výrobků a reverse ingeneering

obr. 5

Závěr Uvedené příklady jsou praktickými výstupy realizovaného výzkumu a vývoje nových výrobků s využitím Rapid Prototypingu a Reverse Engineeringu s optickým scanováním. V průběhu řešení dílčích úkolů byla ověřena metodika postupu tvorby rozmanitých prototypů a specifikovány nové možnosti rozvoje těchto technologií a jejich využití. Bylo zhotoveno a odzkoušeno mnoho různých prototypů z různých oblastí využití i s porovnáním různých metod, a tedy i materiálů. Byla aplikována i nová metodika na kombinaci výroby složitých forem obráběním na CNC s efektivním využitím vložek zhotovených pomocí RP.



• Nástroj pro tažení s proměnnou přidržovací silou; • Nátěrová hmota s plnivy pro zlepšení otěruvzdornosti a pružnosti; • Monitorizace procesu obrábění analýzou signálu akustické emise při broušení; • Parametrizace technologie extruze parizonu z hlediska viskoelastických vlastností taveniny polymeru; • Měření plynotvornosti slévárenských směsí při tepelné zátěži; • Analýza výskytu kritických míst u svarků z aluminidu typu Fe3Al.

2.


17


Nástroj pro tažení s proměnnou přidržovací silou Ing. Pavel Solfronk, Ph.D. Technologie tažení plechů se používá pro výrobu kovových součástí ve všech průmyslových oborech. Tato technologie umožňuje zhotovení součástí rozmanitých tvarů, rovinných nebo prostorových, jakož i součástí nejrůznějších velikostí. Výhodou takto zhotovených součástí je kvalitní povrch, vysoká přesnost předepsaných rozměrů a poměrně vysoká tuhost při minimální váze součásti. Limitujícím faktorem při návrhu technologie tažení je maximální možná deformace tvářeného materiálu při zvolených technologických podmínkách. Jednou z rozhodujících podmínek pro výrobu kvalitního výlisku při dosažení maximální možné deformace na výlisku je určení velikosti a průběhu přidržovacího tlaku při zhotovení součásti. Při volbě malého přidržovacího tlaku dochází na výlisku ke zvlnění a následně vzniku trhliny důsledkem nedostatečné tažné vůle. V tomto případě nedochází k požadovanému přetvoření výlisku a plastické schopnosti tvářeného materiálu nejsou využívány. V okamžiku volby vysokého přidržovacího tlaku dochází na výlisku k nežádoucímu rozvoji deformace vedoucí ke vzniku trhliny vlivem vyčerpání plastických schopností tvářeného materiálu. Oba výše popsané případy jsou pro zhotovení výlisku nepřípustné. Cílem výzkumu v oblasti technologie tažení plechů byl vývoj nástroje umožňujícího v průběhu tažení měnit rozložení a velikost přidržovacího tlaku v závislosti na hloubce tažení a tím dosáhnout maximálního využití plastických vlastností tvářeného plechu. Tímto přístupem je možné snížit počet tažných operací u složitých výlisků a dosáhnout optimálního přetvoření v ploše výlisku u jednodušších typů výlisků. Výsled-

kem výzkumu byla konstrukce a výroba tažného nástroje s přidržovačem rozděleným na několik segmentů, které lze samostatně ovládat hydraulickými válci. Na obr. 1 je předložen CAD model sestavy tvářecího nástroje a reálný nástroj umístěný na hydraulickém lisu CBA 300/63 v prostorách technologických laboratoří.

obr. 1 CAD model nástroje a reálný nástroj na lisu CBA 300/63c

Změna velikosti přidržovací síly na jednotlivých přidržovacích segmentech je řízena softwarem ovládajícím hydraulický obvod. Kriteriem pro vyvození změny přidržovací síly je dosažení hloubky tažení. Pro zjištění optimálního průběhu přidržovacího tlaku byl využíván software PAM STAMP 2G umožňující

18

numerické modelování technologických procesů tažení při respektování všech technologických faktorů podílejících se na procesu tažení. Kromě základních vstupních dat jako jsou údaje o mechanických vlastnostech tvářeného materiálu, tvar funkčních ploch a volba technologických podmínek, software


zohledňuje i průběh koeficientu tření mezi jednotlivými částmi nástroje v závislosti na rychlosti a teplotě, kinematiku pohybu jednotlivých funkčních částí nástroje, průběh přidržovacího tlaku atd. Zjištění optimálního průběhu přidržovacího tlaku tak bylo pro zvolené technologické podmínky poměrně rychlé

a efektivní. Na obr. 2 je ukázka rozložení deformace (ztenčení plechu) na výlisku po numerickém výpočtu při zadaných technologických podmínkách a znázornění deformací v diagramu mezních přetvoření. V grafickém znázornění rozložení deformace jsou patrná kritická místa výlisku.

obr. 2 Rozložení deformace na výlisku a znázornění deformace v diagramu mezních přetvoření (FLC).

Průběh přidržovací síly získaný pomocí numerické simulace v prostředí PAM STAMP 2G byl využit při reálném lisování výlisku olejové vany. Verifikace zvoleného postupu byla provedena na základě analýzy rozložení deformace na výlisku získaného numerickou simulací a lisováním reálného výlisku.

Rozložení a velikost deformace na reálném výlisku byla provedena s pomocí optických systémů bezkontaktní analýzy deformace ARGUS a ARAMIS. Výsledky měření rozložení deformace na reálném výlisku jsou vidět na obr. 3.

obr. 3 Výlisek zhotovený technologií tažení s proměnnou přidržovací silou a příklad analýzy rozložení deformace na výlisku.

Na základě provedeného výzkumu v oblasti tváření kovů byla vyvinuta „technologie tažení plechů s proměnnou přidržovací silou“, která je využívána ve firmě LUCID spol. s r.o. Konstrukční řešení nástroje je chráněno na základě registrace užitného vzoru.

[1] SOLFRONK, P., SOBOTKA, J., Smlouva o uplatnění technologie „Tažení výlisků s proměnnou přidržovací silou“ (typ aplikovaného výzkumu „Z“-ověřená technologie). [2] SOLFRONK, P., „Zkušební přípravek pro zjišťování mezních stavů deformace plechů při hlubokém tažení“. Užitný vzor, registrační číslo 22188

Nástroj pro tažení s proměnnou přidržovací silou

19


Nátěrová hmota obsahující plniva pro zlepšení oděruvzdornosti a pružnosti prof. Ing. Petr Špatenka, CSc. V rámci projektu byl proveden výzkum modifikace práškových polymerních materiálů s velikostí částic v mikrometrických a submikrometrických hodnotách na bázi polyolefinu využitím nízkotlakého plazmového zařízení (obr. 1). Principem technologie povrchového zpracování prášků je vystavení práškového materiálu toku radikálů z plazmy, kdy je aktivován povrch polyolefinových prášků. Během procesu dochází k navázání funkčních hydroxylových, karboxylových nebo aminových funkčních skupin na řetězec polymeru. Tím se zvýší smáčivost modifikovaného materiálu a také přilnavost částic prášku. Současně se zpevní mikrostruktura (vlivem zesíťování během procesu) a povrch materiálu se zpevní. Tím se zvyšuje účinnost plniva proti abrazivnímu porušení. Dokonalým mícháním během procesu je zajištěna homogenní modifikace každé částice prášku. Modifikovaný práškový materiál lze využít jako plnivo do práškových nebo vodou ředitelných barev. To je podstatou podaného a schváleného užitného vzoru č. PUV 2010-23413 „Nátěrová hmota obsahující plniva pro zlepšení oděruvzdornosti a pružnosti“ a patentové přihlášky PUV 2010-795 „Nátěrová hmota obsahující plniva pro zlepšení oděruvzdornosti a pružnosti“. Podstatou vynálezu je vytvoření nátěrové hmoty v kapalném nebo práškovém stavu, obsahující plnivo na bázi polyolefinu pro zlepšení oděruvzdornosti a pružnosti. Polyolefin, tvořící plnivo je v nátěrové hmotě ve stavu modifikovaném ošetřením neizotermickou plazmou a je v nátěrové hmotě obsažen v množství od 5% objemových do 70% objemových. Ve výhodném provedení je nátěrová hmota kapalná nebo viskózní. Nemodifikovaný materiál lze použít jako plnivo také, ale velmi špatně se disperguje v nátěrové hmotě a rychle se separuje. V čisté vodě dochází k separaci ihned po zamíchání. Plazmou modifikovaný polyolefin se do nátěrové hmoty snadno přimíchává a rovnoměrně v ní disperguje. Částice práškového nebo granulovaného polyolefinu mají na atomech uhlíku v povrchové vrstvě navázánu alespoň jednu polární funkční skupinu, která zvyšuje reaktivitu modifikovaného polyolefinu s vodou. Polyolefin se tak stává hydrofilní a lépe difunduje ve vodě a rozpustných nátěrových hmotách. Tím se prodlužuje doba separace a tím i použitelnost barvy s plazmově upraveným polyolefinem. Zároveň dochází ke zlepšení otěruvzdornosti, pružnosti, přilnavosti a doby životnosti nátěrové hmoty.

20

obr. 1 Nízkotlaké plazmové zařízení.


a

b

obr. 2 Testy abraze: a) samotná vodou ředitelná barva po 30 000 cyklech s použitím umělého prstu, b) vodou ředitelná barva s 20 V% modifikovaného polyetylénu po 135 000 cyklech.

a

b

obr. 3 Testy práškového materiálu na rotačním abrazimetru a) barva bez plniva – 120 cyklů, b) barva s plnivem – modifikovaný práškový polyolefin – 450 cyklů.

Modifikovaný práškový polyolefin lze využít i jako plnivo do práškových barev. Částice práškového nebo granulovaného polyolefinu mají rovněž na atomech uhlíku v povrchové vrstvě navázánu alespoň jednu polární funkční skupinu, čímž se zvyšuje i adheze práškové barvy s plnivem ke kovovým substrátům. Dále je výhodné, že polymer práškového nebo

granulovaného polyolefinu je alespoň v povrchové vrstvě zesíťovaný, takže je tvrdší a je sám o sobě otěruvzdorný, čímž výrazně zvýší oděruvzdornost barev, do kterých je přimíchán. Takto upravený polymer dokáže svými vlastnostmi nahradit polyethylen (UHMWPE), který je velmi drahý.

Nátěrová hmota obsahující plniva pro zlepšení oděruvzdornosti a pružnosti

21


Monitorizace procesu obrábění analýzou signálu akustické emise při broušení doc. Ing. Jan Jersák, CSc. prof. Ing. Jan Žižka, CSc. Kontrolní systémy, které rychle a spolehlivě monitorují stav procesu obrábění a s minimální časovou prodlevou podávají řídicímu systému stroje informaci o stavu obrobku, nástroje nebo stroje jsou důležitým prvkem bezobslužných automatických pracovišť. Na katedře obrábění a montáže Technické univerzity v Liberci byl na rovinné brusce BPH 320A pro monitorizaci stavu břitu brousicího nástroje a sledování míry jeho opotřebení použit systém, který vyhodnocuje signál akustické emise (AE). Správně určit okamžik, kdy brousicí nástroj dosáhne takové míry opotřebení, že je třeba jej orovnat, je poměrně obtížné, protože projevy opotřebení brousicího kotouče mohou být různé. Z tohoto důvodu byly v laboratoři obrábění provedeny experimenty dlouhodobého rovinného broušení obvodem kotouče, jejichž cílem bylo v průběhu obrábění posoudit, zda se projeví

hladinách záznamu amplitud. Bylo zjištěno, že jejich charakter závisí na velikosti pracovního radiálního záběru, tedy lze dobře sledovat průběh vyjiskřovacího procesu. Zejména však byla při zkoumání vlivu opotřebení brousicího kotouče na chování signálu AE zjištěna souvislost mezi charakterem záznamu signálu AE a opotřebením brousicího nástroje. Speciální metodou vyhodnocování signálu AE, který vzniká při procesu broušení, se podařilo u brousicího nástroje rozlišit jeho stav z hlediska opotřebení. Pro sledování stavu řezného

obr. 1 Zkušební vzorek s detailem snímače AE a analyzátor AE 10 L.

vliv opotřebení nástroje na chování signálu AE. Snahou bylo využít výhod, které skýtá vyhodnocování vysokofrekvenčního signálu AE, především toho, že jeho vznik přímo souvisí se vznikem třísky, toho, že se velmi dobře šíří obráběnou součástí, a proto lze umístit příslušné snímače na vhodných plochách obrobku, které nemusí být v bezprostřední blízkosti místa obrábění, a také toho, že signál AE lze monitorovat kontinuálně, v průběhu obráběcího procesu. Pro měření emisních událostí AE v průběhu rovinného broušení obvodem kotouče byl vytvořen nový měřicí systém. Velmi zajímavé výsledky byly přitom zjištěny při hodnocení histogramů překmitů AE registrovaných v jednotlivých

22

nástroje byla použita amplitudová analýza signálu akustické emise. Bylo navrženo a odzkoušeno unikátní zařízení k vyhodnocování akustických emisí vznikajících při procesu obrábění v důsledku odběru třísky opracovávaného materiálu řezným nástrojem. Na obr. 2 je znázorněn charakteristický trend rozdělení četností amplitud překmitů registrovaného signálu AE při broušení orovnaným brousicím kotoučem. Pokud se během obrábění brousicí kotouč opotřebí a póry mezi zrny brusiva se zanesou, změní se charakter rozdělení četností amplitud překmitů registrovaného signálu AE, jak je patrné z obr. 3.


obr. 2 Charakteristický trend počtu (četnosti) překmitů akustické emise v jednotlivých energetických hladinách v závislosti na zdvihu pracovního stolu při broušení orovnaným brousicím kotoučem.

obr. 3 Charakteristické chování počtu (četnosti) překmitů akustické emise v jednotlivých energetických hladinách při broušení kriticky opotřebeným brousicím kotoučem.

Na základě získaných poznatků o postupu a metodě vyhodnocení signálů AE při procesu broušení, vč. speciálního vyhodno-

covacího zařízení byla zpracována přihláška vynálezu s názvem „Způsob vyhodnocení akustických emisí při procesu obrábění“.

Monitorizace procesu obrábění analýzou signálu akustické emise při broušení

23


Parametrizace technologie extruze parizonu z hlediska viskoelastických vlastností taveniny polymeru prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld Podstatou technologie extruzního vyfukování je vytlačování polotovaru – parizonu – ve tvaru uzavřeného tělesa. Tato kontinuálně vytlačovaná trubka je následně vyfukována přetlakem vzduchu v chlazené formě do konečného výrobku. Parizon vzniká průtokem taveniny plastu štěrbinou vytlačovací hlavy a tento průtok taveniny je ovlivňován viskoelastickými jevynenewtonovských kapalin (tavenina plastů), které mají vliv na narůstání tloušťky stěny parizonu, na narůstání průměru parizonu a na prodlužování parizonu (viz obr. 1).

24

obr. 1 Detail změny tvaru a rozměru parizonu během procesu extruze (měřící systém Aramis).

obr. 2 Princip experimentálního měření narůstání parizonu u technologie extruzního vytlačování.

Parametry ovlivňující viskoelastické procesy při vytlačování lze rozdělit do dvou základních skupin. První skupinou je stavba polymeru (distribuce molekulové hmotnosti, molekulová hmotnost a délka molekulového řetězce). Druhou skupinou jsou technologické parametry procesu vyfukování – teplota taveniny, smyková rychlost, geometrie vytlačovací hubice a trnu, doba vytlačování parizonu. Cílem výzkumu pro zajištění kvality výrobků u technologie extruze byl vývoj jednoduchého, ale účinného řízení procesu pomocí regulace tloušťky stěny parizonu v závislosti na vstupních parametrech materiálu (index toku taveniny) a na parametrech procesu extruze. Podstatou výzkumu byla monitorizace (viz obr. 2) a parametrizace technologie extruze z hlediska efektivity procesu se zaměřením na vlivy ovlivňující jeho stabilitu.

Z hlediska narůstání rozměru a protahování parizonu za hubicí byly sledovány dva základní vlivy, a to smyková rychlost taveniny a časové hledisko, jelikož změna rozměrů je časově závislá (viz obr. 3). Smyková rychlost byla regulována otáčkami šneku vytlačovacího stroje a bylo zjištěno, že narůstání průměru parizonu roste spolu s nárůstem smykové rychlosti, tedy otáčkami šneku. Na druhé straně je nutné zmínit, že tvar (zejména délka) tokového kanálu (hubice) má výrazný vliv na změnu průměru a tloušťky parizonu, což je spojeno s tlakovými procesy ve vytlačovací hlavě a s procesem relaxace taveniny (viz obr. 4).


obr. 3 Rozměr parizonu v závislosti na jeho délce (časové hledisko) a otáčkách šneku.

obr. 4 Rozměr parizonu v závislosti na velikosti štěrbiny pro různé otáčky šneku.

obr. 5 Graf porovnání reálného profilu parizonu s profilem vytvořeným pomocí logaritmického modelu pro materiál PE.

Na základě získaných výsledků u technologie extruzního vytlačování (viz obr. 5) byla vyvinuta „technologie predikce tloušťky polotovaru pro extruzní vyfukování“ a následně došlo k začlenění této technologie do software pro inovované stroje

řady GM. Vývoj, vyzkoušení a zavedení technologie predikce tloušťky polotovaru bylo ověřováno na zařízení GM 251, které je součástí strojního vybavení laboratoří zpracování plastů katedry strojírenské technologie.

Parametrizace technologie extruze parizonu z hlediska viskoelastických vlastností taveniny polymeru

25


Měření plynotvornosti slévárenských směsí při tepelné zátěži Ing. Jiří Machuta, Ph.D. prof. Ing. Iva Nová, CSc. Při výrobě složitých konstrukčních dílů odléváním do pískových forem probíhá škodlivý děj, který způsobuje uvolňování plynů z pískové formy do budoucího odlitku a tím se zhoršuje jeho kvalita. Tento děj je potřeba v praxi eliminovat a tudíž sledovat a zjistit jeho závislosti. Plynotvornost je schopnost formovacích (jádrových) materiálů uvolňovat při ohřevu plyny a páry. Jsou to nežádoucí děje popisující dílčí chování těchto disperzních materiálů při vysokých teplotách krátce po zalití slévárenské formy, a tudíž by měla hodnota plynotvornosti vykazovat co nejnižší hodnoty. Plynotvornost vyjadřujeme v cm3 na 1 g směsi, případně na cm3 směsi. Množství uvolňujících se plynů v pískové formě je dáno druhem pojiva a jeho podílu ve směsi, sklonem k navlhavosti směsi (způsobem sušení), zrnitostí ostřiva (prodyšností jader) a obsahem různých přísad určených k vyvolání vytvrzovacích reakcí, či k cíleným technologickým požadavkům na samotná jádra. Škodlivý vliv těchto plynných produktů závisí na jejich množství, na prudkosti jejich vývinu a na jejich složení. Kromě množství uvolněných plynů je důležitá i kinetika jejich vývoje, ale i časový okamžik uvolnění v procesu tuhnutí kovu. Ze složek formovací směsi vykazuje značnou plynotvornost voda a další kapalná rozpouštědla, některé minerály, pojiva, organické přísady a další látky. Pro experimentální ověření je třeba nákladné zařízení, proto bylo pro měření plynotvornosti slévárenských směsí vyvinuto a zkonstruováno odpovídající laboratorní zařízení, chráněné užitným vzorem. Podstatou měření na tomto zařízení je snímání tlaku uvolňujících se plynů spalováním vzorku směsi v elektrické peci. Experiment vychází z metodiky měření plynotvornosti na přístroji PGD (švýcarská firma +GF+). Vzorek navážky zkoušené směsi je ohříván sálavým teplem v uzavřeném prostoru pece, který je spojen pouze s měřicí soustavou. Na měřicím zařízení je sledován tlak uvolňujících se plynů v daném časovém okamžiku. Princip zařízení pro měření plynotvornosti slévárenských formovacích a jádrových směsí je patrný z obr. 1, z kterého je zřejmé, že využívá snímání tlaku uvolňujících se plynů při zahřívání směsí.

26

1 - těleso odporové trubkové pece; 2 - keramická trubice s vyhřívacími odporovými elementy; 3 - vodou chlazená uzavírací hlavice; 4 - zatavená křemenná trubice s lodičkou z molybdenového plechu; 5 - kónický uzávěr vyhřívacího prostoru; 6 - regulátor ohřevu pece 7 - teplotní čidlo pece; 8 - stabilizační válcová nádoba; 9 - tlakové čidlo; 10 - sběrnice s A/D převodníkem; 11 - počítač s monitorem; 12 - plechový plášť pece

obr. 1 Blokové schéma zařízení pro měření plynotvornosti slévárenských směsí.


Cílem výzkumu měření plynotvornosti slévárenských směsí je vytvoření uceleného přehledu důležitých vlastností slévárenských formovacích a jádrových materiálů se zaměřením na měření uvolněných plynů při tepelném namáhání. Dále shrnutí dosavadních poznatků o vývoji pojivových systémů pro výrobu forem a jader umožňuje charakterizovat důsledky

tepelného ovlivnění forem a jader z pískových formovacích směsí, aplikovat fyzikálně-chemické výpočty pro reakce, které probíhají během tepelného namáhání forem a jader a v neposlední řadě dovoluje porovnat získané výsledky s teoretickými předpoklady a výpočty.

obr. 2 Znázornění množství uvolněných plynů pro sérii měření vybraných slévárenských směsí při 1000°C tepelné zátěže.

obr. 3 Grafická závislost množství uvolněných plynů v čase při tepelné zátěži 1000°C.

Analýza provedená pomocí tohoto zařízení a předem připravených technologických postupů přispívá k uvědomě-

lému výběru konkrétního typu formovací či jádrové směsi při výrobě slévárenských odlitků z druhých druhů slitin.

Měření plynotvornosti slévárenských směsí při tepelné zátěži

27


Analýza výskytu kritických míst u svarků z aluminidu typu Fe3Al Ing. Jaromír Moravec, Ph.D. doc. Ing. Heinz Neumann, CSc. Analýza dílčích dějů svařovacího procesu se provádí matematicky v simulačním programu SYSWELD a verifikuje experimentálně. Teplotně-metalurgická a mechanická analýza realizovaná programem SYSWELD poskytuje velmi mnoho zajímavých a užitečných dat, ale neřeší místa s nebezpečím vzniku trhlin. Kritická jsou místa v materiálu či svaru, kde prostorová napjatost dosáhla nebo překročila hodnoty skutečné meze pevnosti materiálu pro danou teplotu. V rámci řešení výzkumného záměru byl vypracován program MOVYPRO, který umožňuje detekci kritických míst srovnávací analýzou. Každému uzlovému bodu je v každém výpočtovém čase přiřazena pro příslušnou teplotu hodnota kritické napjatosti odpovídající hodnotě skutečné mezi pevnosti materiálu pro danou teplotu. Nakonec se provádí srovnání hodnot kritického napětí s obecným napětím podle teorie HMH spočítaném v programu SYSWELD. Pro srovnávací analýzu je nutno realizovat následující posloupnost dílčích kroků: • Na základě teplotně-metalurgické analýzy přiřadit každému uzlovému bodu modelu pro každý výpočtový čas číselnou hodnotu teploty. • Matematicky popsat teplotní závislost meze pevnosti příslušného materiálu. • Na základě matematického popisu průběhu funkce teplotní závislosti meze pevnosti a na základě znalosti hodnoty teploty v uzlovém bodě, přiřadit každému uzlovému bodu modelu hodnotu tzv. kritické napjatosti, tedy hodnotu, při jejímž překročení dojde k porušení celistvosti. • Všem uzlovým bodům modelu přiřadit hodnoty prostorové napjatosti spočítané při mechanické analýze. • Provést porovnání hodnot přiřazené kritické napjatosti a spočítané prostorové napjatosti a vyhodnotit body, ve kterých je hodnota spočítané napjatosti vyšší než hodnota kritické napjatosti. • Vyhodnotit výpočtové časy, ve kterých došlo u nějakého uzlového bodu k překročení kritické hodnoty napjatosti a zjistit počet těchto bodů. Výsledkem je tabelární zpracování dat.

obr. 1 Provedení modelu v oblasti svaru a výpočtem stanovený obrys svarové lázně.

28

Jako příklad provedených analýz budou uvedeny dílčí výsledky pro tupý svar dvou desek o rozměrech 180x60x5 mm. Svar byl zhotoven bez přídavného materiálu metodou 141 v ochranné atmosféře Ar 4,8 od firmy Air Products. Kořen byl na tavidlové podložce – tavidlo OK FLUX 10.47 (SF AB 1 65 AC H5). Svařované desky byly upnuté ve čtyřech místech a při svařování byly umístěny na vyhřívané desce. Teplota předehřevu byla stanovena na 200 °C. Svařovalo se mechanizovaným způsobem, stejnosměrným proudem s přímou polaritou (U = 13,9 V, I = 114 A, v = 0,375 mm s-1). Po svařování byly svařené desky umístěné do pece vyhřáté na teplotu 700 °C. Po výdrži 2 hodiny byla pec vypnuta a chladnutí probíhalo ve vypnuté peci. Při výpočtech byl používán tzv. dvouelipsoidní zdroj tepla. Pohled na výpočtový model v oblasti svarové lázně je na obr. 1. Celkový čas svařování je 480 s. Při simulačním výpočtu je do času 500 s uvažováno umístění desky na podložce o teplotě 200 °C, potom se uvažuje volné chladnutí na vzduchu.


Na obr. 2 je výsledek analýzy pro uzlový bod v teplem ovlivněné oblasti, kde maximální teplota ve fázi ohřevu dosáhla 1125 °C.

Z obrázku je zřejmé, že k překročení kritického napětí dochází ve fázi ohřevu při 1054 °C a končí ve fázi ochlazování při 984 °C.

obr. 2 Analýza napjatosti v průběhu svařovacího procesu pro uzlový bod v teplem ovlivněném pásmu.

Na dalším obr. 3 je výsledek analýzy pro uzlový bod, který leží již 16 mm od hranice ztavení v polovině délky svaru. Z obrázku je zřejmé, že maximální teplota dosažená v průběhu svařovacího

procesu byla přibližně 525 °C a vypočítané napětí je během procesu svařování i ochlazování podstatně nižší než kritické. Z hlediska možného vzniku trhlin se jeví tato oblast již bezpečná.

obr. 3 Analýza napjatosti v průběhu svařovacího procesu pro uzlový bod v teplem ovlivněném pásmu.

Analýza výskytu kritických míst programem MOVYPRO je významným přínosem pro aplikaci výpočtového programu SYSWELD u materiálů s výraznou náchylností k tvorbě trhlin a obtížně svařitelných materiálů. Na základě simulačních výpočtů a stanovení kritických míst je možná hlubší analýza svařovacího

procesu z hlediska napjatosti ve svařovaných detailech. Lze tak ověřovat vliv a účelnost změn technologických parametrů během svařovaní na stav vnitřní napjatosti ve svařovaných dílech a na nebezpečí vzniku trhlin. Nepříjemností takové analýzy je značná časová náročnost.

Analýza výskytu kritických míst u svarků z aluminidu typu Fe3Al

29



• Analýza cyklických hlukových a vibračních signálů a kavitačního šumu; • Modelová a experimentální identifikace materiálových a silových charakteristik pružících prvků; • Modelování mechanických vlastností polyuretanové pěny; • Analýza a simulace zatěžování sedáku a hlavové opěrky automobilové sedačky; • Výzkum hydraulického a magnetoreologického tlumiče;

3.

• Výzkum účinků vibrací v obecném směru na lidský organismus; • Výzkum aktivního řízení odpružení sedačky řidiče a platformy sanitního lehátka.

30



Analýza cyklických hlukových a vibračních signálů a kavitačního šumu prof. Ing. Karel Vokurka, DrSc. Tradiční přístup používaný při analýze cyklických vibrací a hluků je založen na předpokladu jejich stacionárnosti, což umožňuje získávat statistické charakteristiky (např. autospektrální hustoty) spojitým průměrováním v čase. Spojitým průměrováním v čase se ovšem ztratí časová závislost a získané charakteristiky popisují vibrace pouze ve frekvenční oblasti, tj. nezávisí na čase. I když tento přístup poskytuje v celé řadě aplikací uspokojivé výsledky, někdy může být výhodnější znát časově-frekvenční statistické charakteristiky cyklických vibrací a hluků. Ty totiž umožňují sledovat spektrální složení vibrací a hluku v průběhu pracovního cyklu a tudíž i umožňují přiřadit určitým dějům nastávajícím během pracovního cyklu odpovídající spektrální složky. Při námi používaném přístupu k měřeným signálům se spojité průměrování v čase nahrazuje periodickým průměrováním. V rámci výzkumného záměru byly vyvinuty algoritmy pro výpočet dvojnásobných autokorelacích funkcí, dvojnásobných autospektrálních hustot a reálných a komplexních okamžitých autospekter cyklických hluků a vibrací. Komplexní okamžité autospektrum představuje jednu z možných časově-frekvenčních charakteristik cyklostacionárních signálů a ukazuje se, že to je velice užitečný nástroj pro analýzu cyklických signálů. Jako konkrétní příklad na použití popisované metody lze uvést výsledky získané během zkoušek převodovky osobního automobilu. Měřená převodovka měla tři hřídele (vstupní, hlavní a výstupní). Pro analýzu byl použit signál ze snímače zrychlení vibrací (akcelerometru). Signál byl zaznamenán při otáčkách vstupního hřídele 3000 min-1, zatížení 20 Nm a zařazeném třetím převodovém stupni. Signál z akcelerometru byl zaznamenán pomocí analyzátoru signálů. Vzorkovací frekvence byla nastavena na 32 768 Hz, délka za-

znamenávaného signálu byla 2 s (což odpovídá 65 536 vzorkům). Současně se záznamem vibrací byly rovněž nahrávány tachopulsy odvozené od vstupního hřídele. Příklad vypočteného okamžitého autospektra vibrací převodovky je uveden na obr. 1. Na obr. 2 je ukázána frekvenční závislost (řez) absolutní hodnoty komplexního okamžitého autospektra zrychlení vibrací převodovky v čase t2≈10 ms a v blízkosti první zubové frekvence.

práci s katedrou fyziky FEL ČVUT v Praze, využívající tzv. jednobublinkovou kavitaci. Modelová bublinka se vytvářela při elektrických výbojích pod vodou, byla uskutečněna spolupráce s význačným zahraničním pracovištěm (Akustickým ústavem CNR v Římě), které má k dispozici vhodnou experimentální aparaturu. Na obr. 3 jsou vybrané snímky z filmového záznamu modelové kavitační bublinky generované elektrickým výbojem ve vodě.

Chod celé řady cyklicky pracujících hydraulických strojů (např. čerpadel a turbin) je doprovázen nežádoucí kavitací, což je složitý, dynamický, nelineární fyzikální proces, který přes obrovské úsilí v mnoha špičkových zahraničních laboratořích není stále dostatečně prozkoumán. Pro správnou interpretaci námi naměřených údajů se ukázalo nezbytně nutné zařadit do výzkumu i studium volných kmitů osamocené modelové kavitační bublinky. Bylo vybudováno pracoviště, ve spoluobr. 1 Absolutní hodnota komplexního okamžitého autospektra zrychlení vibrací převodovky.

obr. 3 Vybrané snímky z filmového záznamu modelové kavitační bublinky generované elektrickým výbojem ve vodě.

obr. 2 Řez autospektrem ukazující průběh frekvenčního spektra.

Analýza cyklických hlukových a vibračních signálů a kavitačního šumu

31


Modelová a experimentální identifikace materiálových a silových charakteristik pružících prvků prof. Ing. Bohdana Marvalová, CSc., doc. Ing. Iva Petriková, Ph.D., doc. Ing. Ludvík Prášil, CSc., doc. Ing. Dalibor Frydrych, Ph.D. Výzkum byl zaměřen na stanovení materiálových parametrů pryžových kompozitů vyztužených textilními kordy při víceosém namáhání, z nichž jsou vyráběny pláště vzduchových pružin (obr. 1). Aby byly experimentální podmínky co nejvíce podobné skutečným podmínkám při provozu vzduchových pružin, je třeba vyvolat v experimentálních vzorcích rovinnou napjatost. Proto byl navržen, vyroben a odzkoušen modifikovaný speciální biaxiální upínací přípravek Arcan, který umožňuje vyvolat rovinnou napjatost v kompozitním vzorku při jednoosém zatížení na zkušebním stroji (obr. 2). Ve spolupráci s firmou Rubena v Náchodě byly vyrobeny rovinné kompozitní desky, které jsou vyztuženy dvěma vrstvami tvořenými viskozovými nebo polyamidovými kordy, které jsou vůči sobě natočeny pod různými úhly. Byla vypracována metodika experimentu pro určení elastických a viskoelastických vlastností těchto kompozitů při víceosé napjatosti a byla provedena měření. Zároveň byly navrženy modely těchto materiálů, konstitutivní vztahy byly implementovány do prostředí Comsol-Multiphysics a provedeny ověřovací výpočty pro vzduchovou vakovou pružinu (obr. 3). Souběžně probíhal i výzkum frikčních vlastností pryže a jejího opotřebení třením. Byla provedena měření třecího koeficientu pryže v závislosti na rychlosti a přítlačné síle. Současně s frikčními experimenty probíhala i dynamická mechanická analýza těchto materiálů, byly stanoveny dynamické moduly a zkoumána závislost mezi ztrátovým modulem a koeficientem tření. Bylo navrženo a realizováno vlastní experimentální zařízení pro měření tření elasto merických materiálů (obr. 4). Pro vývoj magnetoreologických kompozitů bylo navrženo experimentální zařízení na bázi elektromagnetu k řízení kompozitů magnetickým polem. Byla měřena permeabilita, magnetizace a magnetostrikce na vyrobených vzorcích, navrženy modely magnetomechanické vazby, implementovány do prostředí Comsol-Multiphysics a provedeny ověřovací výpočty napětí a deformace vzorků při současném zatížení mechanickým a magnetickým polem (obr. 5).

32

K nejvýznamnějším výsledkům patří vypracování metodiky měření a její ověření při zjišťování řady materiálových parametrů pryže a pryžových kompozitů. Konstitutivní vztahy těchto materiálů byly implementovány do prostředí Comsol-Multiphysics a provedeny numerické simulace experimentů pomoci MKP. V dílčí úloze Vývoj modelů vlnovcových vzduchových pružin lze považovat za nejvýznamnější výsledek experimentálně ověřený matematický model geometrických, statických tlakových a silových charakteristik vlnovcových pneumatických pružin a jeho implementace moderními programátorskými technikami. Model poskytuje dostatečně přesné výsledky a je významnou podporou při návrhu systémů se vzduchovými vlnovcovými pružinami. O výsledky tohoto výzkumu projevuje zájem výrobce vzduchových pružin Rubena Náchod a.s..

obr. 1 Zatěžovací zařízení a optický systém s digitálními kamerami.

obr. 2 Upravený Arcan upínací přípravek zkušebního vzorku a kamera DANTEC Q400


obr. 3 Částečný model válcové vzduchové pružiny v zatíženém stavu.

obr. 4 Zařízení pro měření tření elastomerických materiálů.

obr. 5 Norma hustoty magnetické indukce deformovaného bloku.

Modelová a experimentální identifikace materiálových a silových charakteristik pružících prvků

33


Modelování mechanických vlastností polyuretanové pěny Ing. David Cirkl, Ph.D. Pro komfort pasažérů jsou určující vlastnosti sedačky, zejména jejich čalounění, které je takřka výhradně vyráběno z polyuretanové (PU) pěny, materiálu, který je od doby svého uvedení na trh neustále vyvíjen a jeho vlastnosti jsou zlepšovány. Současně se rozvíjejí experimentální a numerické metody, které umožňují navrhovat virtuální prototypy, které zrychlují a zefektivňují vývojový cyklus, k tomu je nezbytný popis reálných vlastností polyuretanu a jeho fyzikální projevy matematicky popsat a implementovat do počítačové simulace. V oblasti PU pěny byly použity následující přístupy. Fenomenologický model je vytvořen na základě pozorování a umožňuje odhalit fyzikální podstatu chování materiálu a těmto vlastnostem přiřadit vhodné elementární modely a vztahy. PU pěna je viskoelastický materiál a její model je reprezentován soustavou prvků s nelineární charakteristikou, tj. pružin, viskózních a třecích tlumičů. Ke zjištění parametrů modelu bylo realizováno velké množství experimentů, z nichž je zřejmé, že na nelineární pružení se váže tlumení, které je dáno jednak ztrátou energie při deformaci základní pórovité struktury a také může být způsobeno ztrátami při proudění vzduchu póry, kterými je při deformaci vytlačován a při odlehčení nasáván zpět do porézní matrice. K odhalení poměru zastoupení těchto dvou příčin bylo provedeno měření ve vakuu, kde k druhému z jevů nemůže docházet. Porovnání s výsledky provedenými v atmosféře ukazuje, že ztráta energie způsobená prouděním vzduchu póry je vzhledem k tlumení materiálové matrice zanedbatelná a tento závěr platí i pro vzorek PU pěny vyříznutý ze sedáku.

34

V této oblasti bylo dosaženo velmi dobrých výsledků v oblasti simulace tlumení. To bylo vyšetřováno nejen v závislosti na parametrech vibrací, ale i na hustotě materiálu a jeho teplotě. Je zajímavé, že pěna, která je v závislosti deformace-síla velmi nelineárním materiálem, vykazuje lineární chování závislosti množství disipované energie na frekvenci vibrací.

Matematický model je rozvinutím předchozího přístupu, kdy je snahou nalézt takové matematické vztahy, které chování materiálu nejlépe vystihují bez přímého ohledu na jeho příčiny.

Umělé neuronové sítě jsou dalším prostředkem k modelování vlastností PU pěny, jde o softwarový nástroj založený na napodobení schopnosti mozku se učit a předvídat. Cílem je určení vazby mezi vstupem (úroveň vibrací) a výstupem (chování pěny), přičemž samotný systém, který tuto vazbu zajišťuje, je zde považován za černou skříňku. Tento přístup tedy nevyžaduje fenomenologický pohled, řešitel musí ovládat metodu, tedy práci s umělou neuronovou sítí. Je pozoruhodné, že sítě i s poměrně malým počtem neuronů poskytují slibné výsledky. Potvrzuje se, že silová odezva PU pěny je dána zejména velikostí a rychlostí deformace, nikoli zrychlením deformace. Zakomponování zrychlení do učících vzorů nezlepšovalo výsledky výstupů. Dosažené výsledky v této úloze byly využívány zejména při optimalizaci automobilových sedaček.

obr. 1 Struktura polyuretanové pěny.

obr. 2 Průměrná relativní chyba naučení umělé neuronové sítě.

Modelování mechanických vlastností polyuretanové pěny


Analýza a simulace zatěžování sedáku a hlavové opěrky automobilové sedačky Ing. Jan Petřík, Ph.D., Ing. Rudolf Martonka, Ph.D., doc. Ing. Vítězslav Fliegel, CSc., Ing. Michal Petrů, doc. Ing. Ludvík Prášil, CSc. V rámci dílčí úlohy byly experimentálně zjištěny nelineární charakteristiky polyuretanové pěny a potahové látky, vytvořen MKP model sedáku automobilové sedačky bez potahu a s potahem, sestaven zjednodušený biomechanický MKP model sedícího lidského těla, provedena analýza rozložení tlaku v kontaktní zóně a její optimalizace virtuální simulací. Pro simulaci zatěžování sedačky s potahovou látkou byl použit výsledný rovnovážný stav ze simulace předpětí potahové látky. Cílem bylo provedení analýzy rozložení kontaktního tlaku pro sedák s potahem a bez potahu. Na sedačce bez potahu je zřejmé lepší rozložení tlaku s menší maximální hodnotou kontaktního tlaku. Na sedačce s potahem dochází k rozložení tlaku na menší ploše a vznikají oblasti s vysokými kontaktními tlaky. Je zřejmé, že potahová látka výrazně ovlivňuje vlastnosti automobilového sedáku a při analýze komfortu nelze tuto vlastnost zanedbat. obr. 1 Rozložení kontaktního tlaku pro sedák bez potahu a s potahem.

Při zachování tvaru sedáku byla jeho původní tvrdší vrstva pěny rozšířena o vrstvu měkčí pěny v kontaktní zóně. Touto sendvičovou komfortní vrstvou bylo dosaženo lepšího rozložení kontaktní tlaku do větší plochy a byly sníženy špičky tlaku pod pánví. Výsledky simulací pomohou s optimalizací prototypu sedačky i ve smyslu dodržení žádaného tvaru. Potahová látka je na sedačce předepnuta a její předpětí ovlivňuje výsledný tvar sedáku i opěráku. Model lze použít pro simulaci dynamického zatěžování a je vhodný pro hledání synergie mezi statickým a dynamickým kritériem komfortu. Pro zjišťování dat pro simulace byly stanoveny metodiky měření a realizovány zařízení: • dvouosý zatěžovací rám pro měření vlastností textilie potahu při dvouosé napjatosti,

• prototyp sedáku automobilové sedačky se stejnými vibroisolačními vlastnostmi při snížené výplni poly uretanové pěny a zachování původní výšky sedáku, • zařízení k měření prodyšnosti vícevrstvých materiálů a kompletních sedaček. Na měřícím zařízení (viz obr.) byly zjišťovány statické a dynamické vlastnosti samotných polyuretanových výplní a celých automobilových sedaček s potahem. Simulace dynamického namáhání vzorků z polyuretanové pěny byla provedena MKP pomocí Kelvinova reologického modelu. Materiálový model byl verifikován pomocí analýzy přenosových charakteristik vzorku polyuretanové pěny. Při výpočtu byl použit stacionární pseudonáhodný signál obsahující frekvence mezi 1 až 15 Hz a maximálním zrychlením 0,2g.

obr. 2 Rozložení kontaktního tlaku pro sedačku s potahem - sendvič

obr. 3 Konečný stav simulace – sendvič.

Analýza a simulace zatěžování sedáku a hlavové opěrky automobilové sedačky

35


Byla použita stejná metodika určení disipace energie a byly zachovány stejné počáteční i okrajové podmínky jako při reálném experimentu. Simulace vykazuje větší míru disipace energie z důvodu menší přenosové charakteristiky v nad-rezonanční oblasti. Virtuální experiment prokázal korelaci mezi simulací a reálným experimentem a potvrdil možnost predikovat míru disipace energie pomocí MKP modelu. Pro určení disipace s lidskou zátěží na sedačce byla zjišťována energetická bilance v kontaktní zóně člověka a sedačky. Stávající zařízení XSensor PRO k měření rozložení tlaku bylo rozšířeno o specifický senzor se vzorkovací frekvencí až 100Hz, která je nutná pro výpočet energetické bilance v kontaktní zóně. Vytvořená metodika pro analýzu absorpce energie přináší důležitou informaci o míře absorbované energie v polyuretanové pěně. Tuto mechanickou vlastnost lze považovat za další parametr pro porovnávání kvality automobilových sedaček. Dílčí úloha byla v průběhu řešení rozšířena o výzkum a modelování hlavových opěrek pro predikci poranění hlavy a krční páteře. Mnohá poranění krční páteře a hlavy při nárazu, jsou způsobena nejen nesprávnou polohou a tvarem opěrky hlavy,

ale významně se na tom podílí i struktura a vlastnosti materiálu výplně opěrky. Nejčastěji používaná polyuretanová pěna (PUF) při prudkém stlačení zvyšuje tuhost opěrky. Příčinou je vzduch uvnitř buněčné struktury PUF, který při rychlé (rázové) deformaci není schopen uniknout ze struktury pěny a tak se stlačené buňky stávají jejím dalším prvkem. Stlačené buňky naplněné vzduchem způsobují zvýšení tuhosti a ztrátu útlumu kinetické energie hlavy. Hlava se při nárazu zezadu pohybuje se zrychlením více než 10g, po nárazu hlavy na opěrku nastává zpětný pohyb hlavy a hyperextenze krční páteře. Pro snížení poranění hlavy a krční páteře by bylo ideální postupné snižování rychlosti hlavy, což by snížilo energii při nárazu a tím i stupeň poranění. Pro bezpečnost řidiče a jeho spolujezdců je významná nejenom konstrukce opěrky hlavy automobilové sedačky, její tvar a nastavení do správné polohy, ale také materiál její výplně. Výběr a sledování vlastností materiálu výplně hlavové opěrky, který musí zajistit útlum pohybující se hlavy po nárazu či prudkém zastavení automobilu v požadovaném deformačním rozsahu výplně opěrky v daném časovém intervalu, se stal předmětem dalšího výzkumu. Stupeň poranění hlavy nebo krční páteře se v praxi hodnotí pomocí normalizované zkušební procedury EuroNCAP při použití např. akceleračního signálu Whiplash IIWPG 16km/h pro náraz na vozidlo zezadu.

Míra poranění hlavy je hodnocena použitím kriteria poranění hlavy HIC (Head Injury Criterion). Experimenty a simulacemi byly testovány alternativní materiály (NPU) s otevřenou strukturou vytvořenou s horizontálně uložených recyklovaných vláken, spojených při zvýšené teplotě. Otevřená struktura těchto materiálů umožňuje mnohem snadnější únik vzduchu z výplně, a tím se zmenšuje závislost okamžité tuhosti materiálu výplně na rychlosti deformace. Dotykový tlak a stlačení u materiálů NPU při dynamickém nárazu je výrazně menší než u polyuretanové pěny (PUF). Výsledky simulačních testů kompletních sedaček s biomechanickou figurínou vykazují výrazný vliv struktury materiálu na rozložení energie a tím i různé tlumení při dopadu hlavy na opěrku. Hodnota HIC pro vzorek z materiálu NPU je až o 20% nižší ve srovnání se vzorkem z PUF. Významným výsledkem je, že pomocí vytvořených modelů lze predikovat následky, které způsobí zadní náraz na vozidlo. Lze předpokládat, že jejich užitím bude možné v první fázi vývoje sedačky nahradit drahé CRASH testy ve zkušebně.

O výsledky tohoto výzkumu projevují zájem výrobci automobilů a automobilových sedaček (Škoda Auto a.s.,C.I.E.B. Kahovec).

obr. 4 Měřící zařízení pro analýzu statického a dynamického chování sedáku.

obr. 5 Experiment a simulační model, hlavní napětí v PUF (vlevo) a v NPU (vpravo).

36

obr.6 Simulační model sedaček a porovnání průběhu HIC.

Analýza a simulace zatěžování sedáku a hlavové opěrky automobilové sedačky


Výzkum hydraulického a magnetoreologického tlumiče prof. RNDr. Jan Šklíba, CSc., Ing. Radek Votrubec, Ph.D, doc. Ing. Ludvík Prášil,CSc., Ing. Miloš Müller, Ph.D., Ing. Jan Kolaja, Ph.D., Ing. Radek Matějec, Ph.D., Ing. Aleš Lufinka, Ph.D. Výzkumné práce v této dílčí úloze byly zaměřeny na identifikaci vlastností hydraulických tlumičů a vymezení podmínek vzniku kavitace za škrtícím elementem hydraulického tlumiče a studium možností jejího omezení. Experimentálně byly získány závislosti asymptotických hodnot součinitele průtoku ventilovou štěrbinou na jeho zdvihu, které zatím nejsou ve světové literatuře publikovány. Sledovány byly oba pístové ventily tlumiče – odlehčovací a zpětný. Globální charakteristika hydraulického tlumiče, tj. 3D závislost síly tlumiče na relativní rychlosti a relativním zrychlení pístu vůči pracovnímu válci byla úspěšně identifikována pro tři výkonově rozdílné tlumiče (pro sedačku řidiče a pro osobní a užitkový automobil). Identifikace globální charakteristiky představuje novou metodu popisu tlumičů, tlumících prvků, systémů pružina-tlumič používaných pro odpružení nápravy u automobilu a jiných pneumatických a hydraulických tlumících systémů. Jedná se o globální charakteristiku, která vyjadřuje tlumící sílu jako funkci rychlosti a zrychlení relativního pohybu pístnice a pracovního válce, na rozdíl od standardně používané rychlostní charakteristiky, která obsahuje hysterezní smyčky závislé na frekvenci pohybu. Metoda byla úspěšně aplikována na tlumičích různých rozměrů a vlastností a byla použita na identifikaci tlumícího systému pružina-tlumič použitého jako součást na čtvrtinovém modelu automobilu. Pro vymezení podmínek kavitace v hydraulických tlumičích byla aplikována speciální testovací komora (viz obr.) pro sledování vzniku a vývoje kavitačních bublin přímo na reálném škrtícím elementu tlumiče pomocí optických a akustických metod. Komora představuje unikátní systém a umožňuje komplexní přístup k vyšetřování kavitace v hydraulickém tlumiči. Komora je protékána olejem generovaným pomocí hydraulického válce na rozdíl od reálného tlumiče, kde je tekutina v klidu a pohybuje se tlumič. Komora 1 má dva páry průhledů 2, 3 vyrobených z průhledného plexiskla, které slouží pro instalaci senzorů akustického bublinkového spektrometru. Tlaky v nízkotlaké a vysokotlaké části jsou měřeny pomocí snímačů 4 a 5. Pro vyrovnání kolísání

tlaků je použita expanzní nádoba. Hadice 7 je použita pro plnění komory olejem. Aby byl minimalizován parazitní průtok oleje, je na komoře použit pneumaticky ovládaný kulový ventil 8 řízený elektroventilem 9. Otevření a zavření ventilu je detekováno kontaktním snímačem 10. Odvzdušnění systému je provedeno ventilem 11. Komora je napájena z hydraulického generátoru 12. Ventil 13 je pak určen pro vypouštění. Experimenty byly rozčleněny na měření nukleačních jader pomocí zrcadlového objektivu a ABS, měření aktivit kavitace pomocí rychlokamery a akustické měření kolapsů bublinek (hydrofon). Detekce velikosti a počtu kavitačních jader spolu s detekcí aktivit bublinek umožňuje celkový popis kavitace v hydraulickém tlumiči. Variabilita systému umožňuje instalaci a testování různých provedení hydraulických tlumičů a jejich případnou optimalizaci. O výsledky tohoto výzkumu projevují zájem výrobci hydraulických tlumičů (Brano-Ateso, a.s.)

braných průbězích byly ukázány závislosti časových konstant na vstupních veličinách. Pro obrazový přenos od budicího proudu platí, že časové konstanty závisí na směru skoku proudu, nezávisí na směru pohybu pístnice a se zvyšujícím proudem se zmenšují. Na základě identifikace byl vytvořen kompletní model magnetoreologického tlumiče, určeny závislosti časových konstant na vstupních veličinách tlumiče a identifikovány dynamické vlastnosti. Určení časových konstant tlumiče bylo rozhodující pro jeho aplikaci při aktivním tlumení horního otočného rámu platformy sanitního lehátka.

Při výzkumu magnetoreologických tlumičů byl vytvořen analýzou statických a dynamických vlastností tlumiče a jeho identifikací simulační model pro tlumič firmy Motion Master. Statické a dynamické vlastnosti tlumiče byly určeny na základě analýzy měřených signálů. Pro nelineární dynamickou soustavu se dvěma vstupy byla zvolena identifikovaná struktura skládající se ze statické charakteristiky a dvou obrazových přenosů popisujících dynamické chování při změnách rychlosti a budicího proudu. Pro identifikaci obrazových přenosů bylo vytvořeno několik aplikací v prostředí LabView používajících simplexové metody hledání minima účelové funkce. Analyzováno bylo 504 průběhů síly při přechodovém ději od změny budicího proudu. Na vy-

obr. 1 Měřicí komora pro vyhodnocovánívzniku kavitace na hydraulickém tlumiči.

obr. 2 Měření na magnetoreologickém tlumiči.

Výzkum hydraulického a magnetoreologického tlumiče

37


Výzkum účinků vibrací na lidský organismus v obecném směru Ing. Jiří Blekta, Ph.D., doc. Ing. Josef Mevald, CSc., Ing. Aleš Lufinka, Ph.D. Cílem této dílčí úlohy bylo vytvořit zařízení, schopné realizovat buzení lidského organismu v obecném směru a následně doporučit návrhy na realizaci optimálních pružících soustav. Stavba unikátního zařízení, které je schopné generovat pohyb v obecném směru, byla dokončena v roce 2008. Plošina zařízení pro umístění zkušebních objektů má šest stupňů volnosti, prostorově pohybuje s předměty do hmotnosti 250 kg s tím, že v jednom směru dokáže vyvinout rychlost větší než 1 m.s-1. Hydrodynamické válce pracují s maximálním zdvihem ±70 mm a sílou až 25kN. Pro buzení je možné využít buď kombinaci harmonických signálů různých průběhů a nebo signál naměřený v reálném prostředí, např. na podlaze kabiny pracovního stroje, který může být následně v labora-

torních podmínkách reprodukován. Tato možnost představuje pro výpočtáře velmi důležitou zpětnou vazbu, která spočívá v okamžité možnosti ověření správného naladění sedadla. Na zařízení byla uskutečněna celá řada zkoušek. Jednou z nich bylo např. ladění parametrů dynamického absorbéru kmitů, který byl speciálně vyvinut pro instalaci na sedadlo operátora důlního stroje Schrs 1320, (SHD Tušimice). Měření probíhalo s pasivní i aktivní zátěží a budící signál odpovídal svým spektrem nejčastěji se vyskytujícímu signálu, který se na podlaze důlního

stroje vyskytuje. Pomocí výsledků testování bylo možné rychle a efektivně stanovit optimální parametry naladění dynamického absorbéru. Pro zkoušení prostorového zatížení lidského těla byly vyvinuty speciální kombinované snímače síly a zrychlení. Ty umožňují v daném bodě měřit energetický přenos vibračních účinků do těla člověka. Tento způsob ověřování vibroizolačních vlastností sedadel je velmi jednoduchý a zdá se být kvalitativně rovnocenný s dražšími a náročnějšími postupy. Metodika má silný potenciál pro komerční uplatnění.

obr. 2 Umístění sedadla na plošině zkušebního zařízení.

obr. 1 Zkušební zařízení pro výzkum účinků vibrací na lidský organismus v obecném směru.

38

Výzkum účinků vibrací na lidský organismus v obecném směru

obr. 3 Model sedadla s dynamickým absorbérem v prostředí MSC.ADAMS.


Výzkum aktivního řízení odpružení sedačky řidiče a platformy sanitního lehátka prof. RNDr. Jan Šklíba, CSc., doc. Ing. Bedřich Janeček, CSc., Ing. Michal Sivčák, Ph.D., Ing. Radek Votrubec, Ph.D. V Hydrodynamické laboratoři Fakulty strojní bylo v rámci výzkumného záměru vyvíjeno a testováno aktivní řízení odpružení sedačky řidiče s pneumatickou pružinou (obr. 1). Řídicí systém byl miniaturizován a byl vestavěn do konstrukce sedačky. Sedačka je vyvíjena pro nákladní automobily, autobusy, zemědělské a stavební stroje. Funkční vzor aktivně řízené sedačky řidiče byl zabudován do nákladního automobilu Tatra a byl testován na silnicích a testovacích drahách společnosti Tatra Kopřivnice (obr. 2) a o výsledky výzkumu projevuje zájem výrobce automobilových sedaček firma C.I.E.B. Kahovec. Zkušenosti, získané ze zkoušek byly využity ke konstrukčním úpravám sedačky a při tvorbě efektivnějších algoritmů řízení sedačky. Aktivní řízení odpružení sedačky řidiče na nákladních vozech, stavebních a zemědělských strojích přinese zlepšení jízdního komfortu řidiče, snížení fyzického zatížení řidičů a spolujezdců a tím zvýší bezpečnost dopravy. Hlavně se ale omezí vznik nemocí z povolání od nepříznivého namáhání páteře vibracemi během jízdy. Druhou vibroizolační soustavou, u které bylo vyvíjeno aktivní řízení odpružení je prototyp platformy sanitního lehátka. Při přepravě pacienta jsou vibrace přenášené od vozovky na jeho tělo velmi škodlivé, nejen že přinášejí další bolesti poraněných orgánů, ale mohou nepříjemně působit i na opatření související s poskytnutou první pomocí. Platforma je složená ze tří rámů uložených na pneumatických pružinách. Spodní rám tvoří paralelogram zajišťující pohyb ve vertikální ose. Horní dva rámy jsou otočné a umožňují naklápění ve dvou horizontálních osách. Pohyb jednotlivých rámů je ovládán na základě změny tlaku v pneumatických pružinách. Řídicí systém se skládá z regulačního obvodu polohy paralelogramu, jehož regulátor určuje tlak pro spodní pružiny, který pak určuje součty tlaků v jednotlivých dvojicích pružin horních otočných rámů, čímž je dosaženo momentové rovnováhy v jejich

uložení. Natočení rámů je dáno poměrem tlaků protilehlých pružin. Každá pružina je ovládána elektropneumatickým ventilem a má vlastní čidlo tlaku. Na lehátku jsou dále použita tři čidla polohy a tři čidla zrychlení pro jednotlivé rámy. Všechna čidla a akční členy jsou připojeny na měřicí karty v PC. Řídicí aplikace je naprogramována v prostředí LabVIEW. Základní úlohou řízení je inicializace do základní horizontální polohy. Platforma byla testována ve čtyřech režimech. V prvním režimu řízení na konstantní žádanou hodnotu tlaku v pružinách, v druhém režimu řízení s konstantní žádanou hodnotou střední polohy paralelogramu vůči podstavě lehátka a ve třetím režimu řízení na konstantní absolutní polohu horního rámu vůči okolí. Čtvrtý režim je kombinací dvou předchozích, tj. řízení na dodržení absolutní polohy horního rámu s pomalou změnou této žádané hodnoty směrem ke střední hodnotě polohy paralelogramu. Měření se provádí na elektrohydraulickém pulzátoru (obr. 3). Spodní rám platformy lehátka je pomocí křížové konstrukce připevněn na tři hydraulické válce, které umožní libovolné buzení. Pro sledování chování lehátka a nastavování řídicích obvodů bylo použito budicích harmonických signálů s proměnnou frekvencí od 0.1 do 4Hz, a to jednak při buzení vertikálním, tj. všechny tři válce se pohybují současně synchronně a jednak při kývání v podélném i příčném směru. Dále bylo testováno chování lehátka při přejetí překážky a s buzením odvozeném od reálného signálu naměřeného za jízdy automobilu. V rámci měření byla provedena též frekvenční analýza signálů pro různá zatížení do 120kg. Na otočných rámech jsou použity řízené magnetoreologické tlumiče (obr. 4). Aktivním řízením platformy lehátka se podařilo výrazně omezit amplitudu vertikálních kmitů i natočení horního rámu a zvýšit tak komfort přepravovaného pacienta. Použitím magnetoreologických tlumičů bylo dosaženo výrazného utlumení pohybu horních otočných rámů.

obr. 1 Zkoušky v laboratoři.

obr. 2 Zkoušky na voze Tatra.

obr. 3 Měření platformy lehátka na elektrohydraulickém pulzátoru.

obr. 4 Magnetoreologický tlumič na platformě sanitního lehátka.

Výzkum aktivního řízení odpružení sedačky řidiče a platformy sanitního lehátka

39



• Numerická simulace kavitace v ozubených kolech; • Kolaps kavitační bublinky v blízkosti stěny; • Magnetohydrodynamika a rekrystalizační procesy; • Optimalizace a řízení směšovacích procesů.

40

4.



Numerická simulace kavitace v ozubených kolech Ing. Stanislav Jirouš, doc. Ing. Karel Fraňa, Ph.D. Úvod Ozubená kola slouží k přenosu a transformaci energie pomocí tvarové vazby profilu ozubených kol. Při záběru uvažujeme existenci tenké olejové vrstvy, která vzniká na povrchu kol při mazání soukolí. Tento tenký olejový film slouží ke snížení tření povrchů ozubených kol a chrání povrch zatěžovaných funkčních ploch. Ve styku zubů může v některých případech dojít k jejich poškození. Mechanizmus poškození může být čistě mechanického rázu, jako například mechanické vydrolování nebo opotřebení otěrem anebo může být způsoben mazací kapalinou. Kapalina může na povrch zubu působit buď rázy, nebo prostřednictvím kavitační eroze. Kavitace vzniká v místech lokálního podtlaku, a proto je nutno pro posouzení možnosti poškození zubů v důsledku kavitace tato místa hledat. Na obr. 1 je poškozený povrch zubu ozubeného kola. Geometrický model a numerická simulace Tok oleje v zubové mezeře je realizován pomocí numerické simulace založené na metodě konečných objemů v software FLUENT. Využití numerických simulací umožňuje získat informace z různých provozních režimů ozubeného soukolí, a to i v místech, která jsou pomocí experimentálních metod obtížně dosažitelná. Výpočetní doména včetně naznačení okrajových podmínek je uvedena na obr. 2. Pro výpočet nebyl, s ohledem na hodnoty Raynoldsova čísla, použit žádný model turbulence. Pro výpočet vícefá-

zového proudění oleje a vzduchu byl použit model Volume of Fluid (VOF). Množství oleje na povrchu ozubených kol je jednou z počátečních podmínek numerické simulace. Pro výpočet byla zvolena vrstva oleje na povrchu zubu silná 1mm. V důsledku pohybu segmentu ozubeného kola bylo nutno v jeho jednotlivých pozicích provádět přestavbu výpočetní sítě (remeshing). Na obr. 3 je naznačen způsob tvorby objemové výpočetní sítě.

obr. 2 Modelovaná oblast ozubeného soukolí.

obr. 1 Poškození povrchu zubu.

obr. 3 Řez objemovou sítí.

Numerická simulace kavitace v ozubených kolech

41


Výsledky

obr. 4 Proudnice obarvené dle velikosti rychlosti.

Tlakové a rychlostní pole bylo monitorováno na povrchu ozubeného kola pomocí uživatelsky definované funkce. Vyhodnocení tlakového pole ozubeného kola je zaměřeno na oblast s nízkými tlaky. Pokud předpokládáme hodnotu tlaku nasycených par u použitého oleje okolo 1000 Pa, pak oblasti s tlakem blízko této hodnotě nebo pod touto hodnotou představují možná místa vzniku kavitace. Proudnice na povrchu ozubeného kola obarvené dle vektoru rychlosti jsou uvedeny na obr. 4 a tlakové pole na povrchu ozubeného kola pak na obr. 5. Nepříznivý tlakový gradient, který je situován i v místě poškození reálného ozubeného kola je na obr. 6.

Závěr Nejvyšší četnosti tlaků na povrchu ozubených kol s nízkými hodnotami tlaku byly pozorovány i v oblastech, kde se vyskytuje poškození na reálném ozubení (obr. 7). V případě nestlačitelné kapaliny byly pozorovány vysoké hodnoty podtlaků.

obr. 5 Tlakové pole na povrchu ozubených kol.

obr. 6 Poloha tlakového gradientu a zobrazení olejového filmu v zubové mezeře.

obr. 7 Zobrazení oblasti s minimální hodnotou tlaku – experiment vs. simulace.

42

Numerická simulace kavitace v ozubených kolech

Touto metodikou lze velmi úspěšně kontrolovat odolnost navržené geometrie zubu z hlediska kavitační eroze, snížit potřebu náročných experimentů, výrazně přispět ke snížení hluku převodového ústrojí a ke zvýšení životnosti pastorku ozubeného soukolí. Realizace se uskutečnila při návrhu inovací převodovek pro kolejová vozidla a větrné elektrárny.


Kolaps kavitační bublinky v blízkosti stěny Ing. Miloš Muller, Ph.D., doc. Ing. Jiří Unger, CSc. Úvod Pod pojmem kavitace rozumíme všechny jevy spojené se vznikem, zánikem a aktivitami makroskopických dutin – bublin v kapalině. Termín kavitace je především spojován s nežádoucími účinky provázejícími kolaps kavitačních bublin. Jedním z nejvýznamnějších je kavitační eroze. Nežádoucí účinky kavitace však zakrývají skutečnost, že pozitivní účinky kavitace jsou využívány v mnoha oblastech. Schopnost kavitace soustředit energii na velice malé ploše a vyprodukovat silný tlakový pulz je využívána v mnoha průmyslových procesech. Jedním z nich je například ultrazvukové čištění. Velice důležitou aplikací je využití kavitace při úpravě vody. Laserem indukovaná kavitace je operačním nástrojem v mnoha medicínských aplikacích. Základem porozumění kavitaci je porozumět chování jejích základních elementů – kavitačních bublin, zejména pak jejich kolapsu. Určení silového účinku kavitačních bublin na stěnu je jedním zásadních problémů. obr. 1 Základní schéma experimentu určeného pro výzkum kolapsu kavitační bublinky.

Experiment a měření Účinky vlivu kavitace na pevné stěny lze zkoumat pomocí akustických a optických metod. Je však třeba si uvědomit, že uvedené děje probíhají velkou rychlostí a požadavky na uvedenou techniku jsou značné. Na obr. 1 je uvedeno základní schéma experimentu určeného pro výzkum kolapsu kavitační bublinky v blízkosti pevné stěny. Bublinky mohou být generovány pomocí laseru, nebo pomocí elektrického výboje. Příklad kolapsu bublinky generované pomocí laseru na povrchu optického vlákna je na obr. 2.

obr. 3 Kolaps bublinky generované pomocí laseru na povrchu optického vlákna.

Kolaps kavitační bublinky v blízkosti stěny

43


Výsledky Na obr. 3 je záznam kolapsu kavitační bublinky v blízkosti pevné stěny pomocí vysokorychlostní kamery. Odpovídající záznam hydrofonu umístěného za stěnou je pak na obr. 4. a vyhodnocený časový vývoj poloměru bublinky do prvního kolapsu na obr. 5. Z obrázků je patrné, že bublinka nejprve prudce naroste a pak následuje její kolaps. Během kolapsu generuje bublinka proud tekutiny směrem ke stěně. Tento proud je generován, jak během prvního, tak během druhého kolapsu. Sílu kolapsu je možné určit pomocí kalibrace hydrofonu známou silou, například pomocí kyvadla. Například impulz uvedený na obrázku jedna odpovídá síle 988N.

obr. 4 Záznam z hydrofonu umístěného za stěnou při kolapsu kavitační bublinky.

obr. 3 Záznam kolapsu kavitační bublinky v blízkosti pevné stěny pomocí vysokorychlostní kamery.

Závěr Uvedené výsledky ukazují, že kombinace akustických a optických metod může poskytnout velice podrobné informace o síle kolapsu bubliny. Znalost síly kolapsu bublinky v závislosti na její vzdálenosti od stěny je důležitým parametrem při numerických simulacích, které pak mohou sloužit k výpočtům kavitačního proudění a jeho interakce s povrchy těles.

44

Kolaps kavitační bublinky v blízkosti stěny

obr. 5 Časový vývoj poloměru bublinky.


Magnetohydrodynamika a rekrystalizační procesy Ing. Kateřina Horáková, doc. Ing. Jiří Unger, CSc., doc. Ing. Karel Fraňa, Ph.D. Magnetohydrodynamika a její využití v praxi

Magnetohydrodynamika (MHD) je nauka o chování vodivé tekutiny (kapaliny nebo plazmy) v magnetickém poli. Magnetohydrodynamické jevy v tekutých kovech jsou vyvolány vnějším, zpravidla časově či prostorově proměnným elektromagnetickým polem. Elektrický proud, indukovaný rotačním magnetickým polem (RMF) pro vodivou tekutinu, je dán druhou Maxwellovou rovnicí a Ohmovým zákonem pro pohybující se médium. Proudění elektricky vodivé tekutiny je tématem mnoha numerických teoretických i experimentálních studií. První zmínky o MHD se objevovaly v souvislosti s astrofyzikou a geofyzikou. V padesátých letech minulého století se zájem o MHD zaměřil hlavně na fyziku plazmatu a řízení termonukleární fúze. Později se zájem o MHD rozšířil i do průmyslových odvětví, kde se RMF používá např. při kontinuálním lití oceli a hliníku a dále při výrobě polovodičů. Možnosti využití magnetického pole i posouzení vhodnosti různých druhů magnetického pole jsou aktuálně zkoumány, přičemž rotační pole se ukázalo jako dobře využitelné. Dále je v odborných kruzích zkoumán vliv syntézy různých magnetických polí. V poslední době se testuje použití RMF pro gallium nebo rtuť a dále pro různé tavicí techniky jako Float Zone, Czochralski, Bringman nebo Travelling Heater Method.

Soustavou několika odvození (přes řešení skalárního potenciálu pomocí Besselovy rovnice) se dojde na výsledný analytický vztah pro časově průměrovanou Lorentzovu sílu v azimutálním směru. Z výpočtového kódu NS – FEM3D byly získány databáze hodnot Lorentzových sil pro různá Taylorova čísla. Protože síť krychlové nádoby je nestrukturovaná, bylo pro zobrazení hodnot Lorentzových sil ve zvolené zobrazovací rovině využito váhové funkce čtyř nejbližších bodů skutečné sítě. Aby bylo možné porovnat kontury Lorentzových sil z této databáze s konturami Lorentzových sil dle analytického vzorce, byly hodnoty normalizovány k jedničce, tj. k maximální hodnotě souboru (viz. obr. 2). Vyšší hodnoty Lorentzových sil u krychle jsou způsobeny hranatým tvarem samotné nádoby. Pohybující se tavenina (dominantně v azimutálním směru) zrychluje a zpomaluje, následkem toho se vytvářejí relativně významné turbulentní koherentní struktury. Minimální rozdíly se nacházejí zhruba v polovině výšky nádoby, kde je tavenina minimálně ovlivněna hranami a frikčními jevy na horní a dolní podstavě. Na obr. 3 je procentuální zobrazení rozdílu Lorentzových sil u krychle a válce.

Experimentální výzkum vlivu RMF je energeticky velmi náročný. Y. M. Gelfgat a A. Y. Galfgat v práci Experimental and numerical study ofrotatingmagneticfielddrivenflow in thecylindricalenclosures popisují měření azimutálních rychlostí ve válcové nádobě a výsledky porovnávají s numerickou simulací. Taveninou v experimentu byla zvolena slitina InGaSn, protože je tekutá za pokojových teplot. Pro studium reálných dějů ovlivňujících rekrystalizační procesy je však vhodné simulovat turbulentní struktury v komplexních geometriích.

obr. 2 Zobrazení normalizovaných kontur azimutálních Lorentzových sil v krychli.

Popis úlohy a výsledný analytický vztah

Cílem práce je popis proudění elektricky vodivé taveniny uvnitř rotačně nesymetrické nádoby. Proudění je též vyvoláno rotačním magnetickým polem, resp. Lorentzovou silou, která uvádí taveninu do rotačního pohybu. Na obr. 1 je zobrazen okamžitý stav rychlostního pole. Proudění v azimutálním směru hraje dominantní roli pro homogenizační proces. Zobrazeny jsou řezy nádobou – kvádrem. Maxima rychlostí jsou zobrazena červeně, minima modře. Lorentzova síla se skládá z časově nezávislé (průměrované) složky a z oscilační komponenty, která rotuje s dvojnásobnou frekvencí. Ovšem tekutina, z důvodu její dostatečně vysoké setrvačnosti, není schopna dosáhnout tak velké změny složky síly. Z tohoto důvodu se oscilační složka síly zanedbává a sleduje se pouze časově nezávislá složka.

obr. 1 Okamžité azimutální rychlosti uφ.

Závěr

obr. 3 Procentuální rozdíl normalizovaných Lorentzových sil v krychli a válci.

Závěrem je nutno konstatovat, že využívání rotačního magnetického pole pro optimalizaci rekrystalizačních procesů v tavenině je formováno nejen magnetickou indukcí, ale významně též faktorem tvaru nádoby. Zakomponováním analytického vztahu do výpočetního kódu NS-FEM3D velice urychlí výpočetní čas optimalizace homogenizačních turbulentních struktur.

Magnetohydrodynamika a rekrystalizační procesy

45


Optimalizace a řízení směšovacích procesů doc. Ing. Václav Dvořák, Ph.D. Tématem této práce jsou směšovací a proudové procesy probíhající v ejektorech. Ejektory jsou trysková čerpadla nebo kompresory poháněné proudem plynu, páry nebo kapaliny. Používají se v průmyslu jako zdroje podtlaku, k čerpání kapalin z velkých hloubek, k dopravě kyselin v chemickém průmyslu, v textilním průmyslu jako tkací trysky nebo i v letectví pro zvýšení tahu motorů. Ejektor je po konstrukční stránce velice jednoduché zařízení (obr. 1), bez pohyblivých částí, levné a provozně spolehlivé. O to složitější jsou směšovací procesy, které v něm probíhají. Nedostatečné porozumění principu činnosti a absence uceleného pohledu na celé zařízení tak vedou k nedokonalým konstrukcím s nízkou účinností.

obr. 1 Princip a konstrukční uspořádání ejektoru.

obr. 2 Experimentální zařízení.

46

Nízká účinnost ejektoru je dána principem jeho činnosti. Hnací, vysokotlaká tekutina expanduje v hnací trysce do vysokých rychlostí, na okraji proudu dochází ve směšovací komoře ke strhávání okolní, hnané tekutiny. Směšovací procesy, při kterých se následně předává část pohybové energie hnací tekutiny tekutině hnané, jsou samy o sobě zdrojem energetických ztrát, směšování proudů přitom probíhá při vysokých rychlostech a to je spojeno s dalšími ztrátami třením a vlivem aerodynamické nedokonalosti. Je snadné smíchat dva proudy tekutiny v ejektoru, obtížnější je ale provést to tak, aby bylo dosaženo co nejvyšší energetickou účinnosti. Směšování dvou proudů v ejektoru je charakterizováno vysokou intenzitou turbulence, kterou při současných výpočtových možnostech popisujeme velice zjednodušeně a nepřesně. Na rozdíl od většiny ostatních zařízení na dopravu tekutin, ve kterých jsou turbulentní smykové oblasti nežádoucí, hrají turbulentní procesy v ejektoru dominantní roli. Protože jsou ejektory relativně malá zařízení, je měření rychlostí uvnitř úzkých kanálů komplikované, neboť sondy nezanedbatelně rozrušují proudové pole a laserové metody měření rychlosti se potýkají s odlesky paprsků od zakřivených stěn.


Cílem výzkumu je porozumět více dějům při směšování dvou proudů v ejektoru a díky tomu celé zařízení vylepšit a optimalizovat. Na vybudované experimentální trati (obr. 2) je možné realizovat výzkum směšovacích procesů, provádět porovnávací měření a ověřovat výpočtové metody. Analyzuje se proudění ve válcové směšovací komoře a potvrzují se předpoklady, že směšování je možné rozdělit na počáteční a hlavní oblast. V počáteční oblasti směšování nezasahuje směšovací vrstva k mezní vrstvě na stěně směšovací komory, směšování je málo intenzivní, prakticky se nemění tlak a je možné uvažovat o volném hnacím proudu. V hlavní oblasti směšování se směšovací vrstva rozprostírá přes celý průřez směšovací komory a během intenzivního směšování roste rychle statický tlak. Přechod mezi počáteční a hlavní oblastí směšování je přitom velice rychlý, typicky nastává na délce odpovídající jedné desetině průměru směšovací komory. Veškeré děje, které v ejektoru probíhají, expanze obou proudů, směšování a následná komprese, se navzájem ovlivňují, a tak malá změna jednoho konstrukčního nebo provozního parametru změní proudění v celém zařízení. Potýkáme se tak s problémem, jak ejektory hodnotit a optimalizovat, neboť převážná většina změn, které provedeme, způsobí zhoršení energetické účinnosti. Podařilo se vytvořit metodu pro simultánní optimalizaci všech částí ejektoru, kdy se tvarování jednotlivých částí ejektoru navzájem ovlivňuje a díky tomu je dosaženo prakticky ideálního řešení. Ukazuje se, že vysoká účinnost je dána nejen aerodynamickým tvarováním všech částí ejektoru, ale i nalezením optimální velikosti vstupního průřezu hnaného proudu a především rychlým růstem statického tlaku během směšování v rozšiřující se směšovací komoře. To je v přímém rozporu se zažitými konstrukčními pravidly doporučujícími směšovací komoru válcovou, tzv. rovnoplochou, nebo dokonce zužující se rovnotlakou. Optimalizací je dosaženo vyššího poměru rychlostí obou proudů a tím jsou sníženy ztráty vlastním směšováním. Optimalizované ejektory mají znatelně vyšší účinnosti, až o čtvrtinu oproti konvenčnímu provedení ejektoru. Každé procento účinnosti navíc otevírá další aplikační možnosti ejektorů. Jeden ze směrů výzkumu směšování se zaměřil na vliv tvaru hnací trysky (obr. 3), kterou do směšovací komory vstupuje hnací proud tekutiny. Je známo, že volný proud z trysky, jejíž od-

toková hrana je zvlněna nebo jinak pozměněna, se rychleji šíří do okolní tekutiny, není ale stejně detailně zmapováno chování podobného proudu v omezeném prostoru ejektoru a již vůbec se neřeší vliv na energetickou účinnost následného směšování. I v tomto případě platí, že většina konstrukčních změn, která se na obyčejné kruhové hnací trysce realizuje, vede ke snížení energetické účinnosti ejektoru, neboť kruhová tryska sama o sobě přestavuje lokální optimum. Při změně trysky se mění poměr průřezů obou trysek a tím i rychlostní a tlakové poměry v celém zařízení, jsou ovlivněny směšovací procesy a jinak pracuje i difuzor. Je tak obtížné porovnat mezi sebou vlivy dvou hnacích trysek na směšování. Znovu se tak ukazuje, že použitá hnací tryska musí být optimalizována, aby bylo dosaženo alespoň malého vylepšení. Teprve porovnáním a analýzou více optimalizovaných řešení bylo zjištěno, že použitím nekruhové hnací trysky je možné dosáhnout rychlejšího a rovnoměrnějšího průběhu směšování. Počáteční oblast s navýšenou intenzitou směšování přechází plynule do hlavní oblasti se sníženou intenzitou směšování. Je tak disipováno menší množství energie a je docíleno vyšší energetické účinnosti. Jako velice perspektivní se jeví lalokovité trysky, jejichž odtoková hrana je zvlněna a trysky vícenásobné, kdy hnací proud vstupuje do směšovací komory z několika menších trysek. Aerodynamická optimalizace nám tak přes všechna omezení numerických výpočtů umožňuje získat představu, jaké procesy jsou důležité pro vyšší energetickou účinnost. Cílem nedávného výzkumu bylo stanovit vliv generátorů syntetizovaných proudů a generátorů tlakových pulzů umístěných v ejektoru na směšování. Cílem je dosáhnout rychlejšího směšování, které by následně mělo umožnit kratší stavební délku směšovací komory. Pokud by se toho dosáhlo, mohou se snížit rovněž energetické ztráty třením na stěně směšovací komory. V případě, že úspora třecích ztrát bude větší, než nárůst disipace energie od syntetizovaného paprsku, zvýší se i účinnost. Získané teoretické výsledky mají bezprostřední aplikační výstup, a přestože se podařilo dosáhnout velkého navýšení účinnosti, získané poznatky o tryskách složitějších tvarů nabízejí další možnosti vylepšení. Metody optimalizace, jako např. diferenciální evoluce umožňující nalezení globálního optima ve spojení s 3D simulací, pak slibují další růst účinnosti.

obr. 3 Hnací trysky.

Optimalizace a řízení směšovacích procesů

47


Výzkumný záměr: „Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem“ – výsledky činnosti Výzkumný záměr obsahuje ve svém zaměření komplexní a široce pojatý aplikovaný výzkum orientovaný na optimalizace vlastností strojů, pracovních procesů a jejich interakce s člověkem, jednotlivé položky výsledků jsou ve svém výčtu naplněním uvedeného zaměření. Souhrn výsledků výzkumného záměru v letech 2005 - 2010

Přehled výsledků výzkumného záměru v letech 2005 - 2010

48

Výzkumný záměr: výsledky činnosti


Hydrodynamická laboratoř – špičkové pracoviště Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci vybudované s institucionální podporou výzkumného záměru.

49


Monografie Dynamická manipulace s plochým sklem (2008) Práce předkládá autorem zpracovanou metodiku využití počítačového modelování v oblasti dynamické manipulace s tenkými deskami skla. Byl proveden rozbor podmínek pro stabilní držení objektu podtlakovou úchopnou hlavicí z hlediska silového zatížení a definice optimálního koeficientu bezpečnosti. Proběhla experimentální studie frekvenčních vlastností a charakteru kmitání symetricky, podtlakově uchopené desky v závislosti na reálném nastavení manipulačního cyklu ve vztahu k rozměrům desky, materiálovým vlastnostem a poloze úchopných prvků při manipulaci se sklem. Byl zformulován a ověřen optimalizační postup návrhu rozmístění přísavek ve vztahu k uchopené desce tak, aby bylo dosaženo rovnoměrného zatížení tabule a minimalizována pravděpodobnost kolizí s perifériemi v odkládacích pozicích. Kniha je určena všem odborným pracovníkům, technikům, ale i studentům strojních fakult zabývajícím se problematikou automatické manipulace a optimalizací návrhu podtlakových úchopných hlavic ve vztahu k minimalizaci namáhání desky a koncového členu robotu během automatické manipulace. 165 stran. ISBN 978-80-7372-425-2

Hodnocení průmyslových dat pomocí fraktální geometrie (2008) Monografie je uceleným souhrnem poznatků dlouhodobého výzkumu aplikace nekonvenčních metod pro popis běžných dat z průmyslové praxe a z aplikovaného výzkumu. Těží z poznatků z relativně nedávného období a vědeckých prací zaměřených většinou pouze na základní výzkum. Publikace popisuje v obecné části samotnou fraktální geometrii v širším kontextu, následuje popis současného stavu problematiky a užitých matematických nástrojů a těžištěm práce je v podrobném hodnocení třech typů dat, které se v průmyslové praxi nejvíce vyskytují: časové řady, 2D snímky a rozhraní. Využitelnost metodiky je prezentována na reálných datech z průmyslové praxe z oblasti sklářského průmyslu, přičemž byl kladen důraz na možnosti užití získaných znalostí, metodiky a principů pro popis dat z průmyslové výroby a výrobků obecně. Navržené metodiky zpracování dat mají proto obecnou platnost a lze je použít pro data z mnoha oborů průmyslu. 180 stran. ISBN 978-80-7372-431-3

50


Dynamické chování kavitačních bublin generovaných laserem (2008) Monografie se zabývá studiem kavitačních bublinek se zaměřením na laserem indukovanou kavitaci v regulární a neregulární (retrográdní) tekutině. Je zde popsán teoretický a experimentální výzkum dynamiky kavitační bublinky v různých tekutinách. Publikace popisuje metodu vizualizace kavitačních bublinek a rázových vln pomocí násobné expozice. Data získaná z experimentů jsou využita pro verifikaci fyzikálních modelů laserem indukované bublinky. Diferenciální rovnice popisující dynamiku kavitační bublinky zahrnují viskositu, povrchové napětí a stlačitelnost tekutiny a obsahují okrajové podmínky umožňující zohlednění absorpce laserového záření tekutinou při vzniku bublinky. Je zde odvozena rovnice pro disipaci energie rázové vlny pomocí semi-empirického modelu, který je založen na podobnosti mezi tlakovými profily rázové vlny v různých pozicích. Práce obsahuje popis numerických simulací kolapsu kavitační bublinky v blízkosti pevné stěny pomocí CFD software – FLUENT. 108 stran. ISBN 978-80-7372-241-8

Užití numerické simulace pro obtížně svařitelné materiály na bázi aluminidů železa (2010) Současným trendem jsou zvyšující se nároky na kvalitu a užitné vlastnosti výrobků a na ekonomičnost výroby. Toho lze dosáhnout aplikačním využitím inovačních technologií nebo nových typů materiálů. Do této skupiny, lze řadit také intermetalické materiály, které se v posledních letech dostávají do popředí zájmu ve světě. Mezi nejčastější intermetalika patří aluminidy železa, niklu a titanu. Některé z nich jsou průmyslově využívány a další jsou součástí základního nebo aplikovaného výzkumu. Tyto slitiny mají poměrně nízkou cenu díky malému obsahu prvků, jako jsou Cr a Ni a mají též nižší měrnou hmotnost než vysokolegované oceli. Aluminidy železa mají dobrou odolnost proti opotřebení (obraze, kavitace) a výbornou odolnost proti síře a jejím sloučeninám. Uvedené výhody jsou nicméně vyváženy obtížnou zpracovatelností těchto materiálů – zejména svařitelností. Při aplikačním výzkumu technologické zpracovatelnosti aluminiudů železa jsou stále více využívány numerické simulace svařování, které poskytují korektní informace o napěťových a deformačních polích při svařování a vlivu technologických parametrů na tato pole. Díky tomuto přístupu je možno postupy svařování optimalizovat. 98 stran. ISBN 978-80-7372-682-9

Monografie

51


Závěrečné slovo doc. Ing. František Novotný, CSc. Výzkumný záměr „Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem“ předkládá nové poznatky z teoretického výzkumu, ale zejména je orientován do oblasti aplikovaného výzkumu. Významné výsledky byly získány počítačovou simulací v účelné kombinaci s fyzikálním modelováním zaměřeným na verifikaci výsledků virtuálních modelů. Přínos řešení je charakterizován propracovaným metodickým základem speciálních optimalizačních metod s rozsáhlou experimentální verifikací. Přínos řešení výzkumného záměru je charakterizován propracovaným metodickým základem speciálních optimalizačních metod s rozsáhlou experimentální verifikací. Řešitelské týmy jsou schopné multidisciplinární spolupráce s širokým zapojením doktorandů.

Pohled do jednacího sálu při hodnocení výzkumného záměru v roce 2007.

52

Závěrečné slovo

Podařilo se také zvýšit interdisciplinární informovanost členů řešitelského týmu (www.fs.tul.cz/vz/) s možností efektivního využití materiálního vybavení laboratoří k širší výzkumné spolupráci. Významným výsledkem je rovněž kvalifikační růst členů řešitelského týmu (11 profesorských řízení, 9 docentských habilitací a 46 úspěšně obhájených doktorských disertací). Významným přínosem řešení výzkumného záměru na Fakultě strojní Technické univerzity v Liberci bylo zapojení studentů doktorských studijních programů do řešitelských týmů. Výsledky řešení se vyznačují potřebnou teoretickou úrovní, přispívají k rozvoji oboru a mají vysoký potenciál pro jejich následné využití v průmyslové praxi. Závěrem lze konstatovat, že v průběhu řešení výzkumného záměru bylo v letech 2005 - 2011 dosaženo řady hodnotných výsledků, které nesporně naleznou využití jednak při řešení následných výzkumných projektů na pracovišti řešitele projektu, jednak jsou sledovány se značným zájmem ze strany výrobních firem i dalších výzkumných institucí u nás i v zahraničí.


1.





2. 3. 4.



Členové komise MŠMT při průběžném hodnocení výzkumného záměru na TU v Liberci 4. 10. 2007 (zleva prof. Matoušek, předseda komise prof. Ondráček, Dr. Dobiáš a Ing. Kavan).

Laboratorní ověřování robota lezce bylo úspěšné a napínavé.

Diskuse odborníků různých generací nad výsledky výzkumného záměru byla vždy kořením vědecké práce.

Spolupráce členů řešitelských týmů byla v celém průběhu řešení velmi cenným výstupem výzkumného záměru.

Vydala Technická univerzita v Liberci, Studentská 1402/2, Liberec | prosinec 2011. Autorský tým: doc. Ing. Martin Bílek, Ph.D., Ing. Josef Blažek, Ph.D., Ing. Jiří Blekta, Ph.D., Ing. Pavel Brabec, Ph.D., Ing. David Cirkl, Ph.D., doc. Ing. Václav Dvořák, Ph.D., doc. Ing. Vítězslav Fliegel, CSc., doc. Ing. Karel Fraňa, Ph.D., doc. Ing. Dalibor Frydrych, Ph. D., Ing. Marcel Horák, Ph.D., Ing. Kateřina Horáková, Ing. Vlastimil Hotař, Ph.D., doc. Ing. Bedřich Janeček, CSc., doc. Ing. Jan Jersák, CSc., Ing. Stanislav Jirouš, Ing. Jan Kolaja, Ph.D., prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld, Ing. Aleš Lufinka, Ph.D., Ing. Jiří Machuta, Ph.D., doc. Ing. Miroslav Malý, CSc., Ing. Rudolf Martonka, Ph.D., prof. Ing. Bohdana Marvalová, CSc., Ing. Radek Matějec, Ph.D., Ing. Ivo Matoušek, Ph.D., doc. Ing. Josef Mevald, CSc., Ing. Jaromír Moravec, Ph.D., Ing. Miloš Müller, Ph.D., doc. Ing. Heinz Neumann, CSc., prof. Ing. Iva Nová, CSc., doc. Ing. František Novotný, CSc., doc. Ing. Iva Petríková, Ph.D., Ing. Michal Petrů, Ing. Jan Petřík, Ph.D., prof. Ing. Přemysl Pokorný, CSc., doc. Ing. Ludvík Prášil, CSc., prof. Ing. Celestyn Scholz, Ph.D., Ing. Michal Sivčák, Ph.D., Ing. Pavel Solfronk, Ph.D., prof. RNDr. Jan Šklíba, CSc., prof. Ing. Petr Špatenka, CSc., doc. Ing. Jiří Unger, CSc., prof. Ing. Karel Vokurka, CSc., Ing. Radek Votrubec, Ph.D., Ing. Robert Voženílek, Ph.D., prof. Ing. Jan Žižka, CSc. Grafické zpracování: Jana Vašáková Havlíková | jazyková korektura: Mgr. Miroslav Wallek | tisk: Geoprint, Krajinská 1110, Liberec.

Obsah



1/6/12 9:42 AM

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem Výzkumný záměr | MSM 4674788501 2005 - 2011

Výzkumný záměr | MSM 4674788501 2005 - 2011


Technická univerzita v Liberci Studentská 2, 461 17 Liberec, www.tul.cz kontaktní osoba: doc. Ing. František Novotný, CSc. tel.: +420 485 354 103, mob.: +420 604 969 548, [email protected], www.fs.tul.cz/vz


1/6/12 9:42 AM

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem

Recommend Documents