Aktuální vydání

celé číslo

06

2022

Vodohospodářství, energetika a využití obnovitelných zdrojů energie

IIoT, vestavné a průmyslové počítače a edge computing

celé číslo

Zkušebnictví ve strojírenském průmyslu

Automa 10/2001

Jiří Černohorský, Antonín Řehák

Zkušebnictví ve strojírenském průmyslu

Článek připomíná zásadní význam zkušebnictví pro zajištění potřebné spolehlivosti, životnosti a zvýšení komfortu strojírenských výrobků nutných k úspěchu na současném globalizovaném trhu. Stručně představuje současné základní zásady vývoje složitých dynamicky namáhaných strojírenských konstrukcí i používaná zkušební zařízení založená na elektrohydraulickém principu. Závěrem konstatuje neutěšenou situaci v českém strojírenství s jistou nadějí na zlepšení.

Obr. 1.

Zkušebnictví zaměřené na dimenzování mechanických konstrukcí letadel a automobilů udává směr zkušebnictví dalších strojírenských výrobků, jako jsou např. kolejová vozidla, zemědělské stroje, zemní stroje atd. Postupně s pokrokem ve výpočetní technice a elektronice je upřesňována filozofie umožňující v co nejkratší době optimálně dimenzovat strojírenské výrobky s velkou spolehlivostí v období plánované životnosti při dodržení minimální (optimální) hmotnosti. Globalizovaný trh náročných strojírenských výrobků nedává šanci těm, kteří je nedokáží dimenzovat s využitím soudobého experimentu. Jedním z nejzávažnějších problémů současného českého strojírenství je dlouhodobá stagnace zkušebnictví.

Cíle a metody soudobého zkušebnictví
Racionálním důvodem k budování moderního zkušebnictví je dodržení, resp. zvýšení bezpečnosti provozu strojů v údobí jejich plánované životnosti při snižování hmotnosti jejich mechanických konstrukcí. Dále jde o zajištění komfortu účastníkům provozu spočívajícího v omezení vibrací a hluku.

Pro efektivní inovace mechanických konstrukcí strojů je třeba nalézt jejich kritická místa a změřit v nich rozložení mechanické napjatosti, uskutečnit modální analýzu mechanického kmitání a zjistit jeho zdroje a zvolit nejvhodnější konstrukční materiály. Dosaženou bezpečnost a spolehlivost provozu výrobku v období plánované životnosti prokazuje experiment – dlouhodobá zkouška životnosti celého výrobku. Zkušebnictví ve vývoji dynamicky namáhaných strojírenských výrobků využívá dva základní obory:

  • elektronická měřicí technika umožňuje při provozu strojů měřit síly, momenty, mechanická napětí a parametry kmitavého pohybu i další fyzikální veličiny působící na jejich stacionárních i pohyblivých částech;

  • programově řízené elektrohydraulické zkušební stroje a systémy s dostatečnou přesností zavádějí do zkoušené součástky, konstrukční části stroje či celé jeho mechanické konstrukce mechanické namáhání odpovídající jeho skutečné exploataci v definovaných podmínkách; simulace provozu stroje v laboratoři umožňuje měnit provozní režimy i okolní pod- mínky a může nepřetržitě probíhat i celé týdny.

Bez nadsázky lze konstatovat, že úroveň výrobku je určena úrovní zkušebnictví. U pracovníků zkušeben se koncentrují neocenitelné zkušenosti. Vybudovat zkušebnictví „up to date“ není jednoduché. Jeho úroveň roste s tradicí. Dynamické zkušebny předních světových výrobců automobilů nebo letadel i jejich provoz jsou velmi drahé. Například před deseti lety byla inovována dynamická zkušebna automobilky BMW v Mnichově nákladem více než 1 mld. DEM.

Experiment a počítačové modely
S nástupem výkonných počítačů do technické praxe se rychle rozšířila progresivní výpočtová metoda konečných prvků a s ní na určitou dobu i představa, že význam experimentu poklesne.

Obr. 2.

Záhy se však ukázalo, že např. účinky exploatace na bezpečnost provozu a životnost zatěžovaného výrobku jsou složitější, než jak se daří je respektovat v počítačových modelech, které nedostatečně aproximují fyzikální realitu.

Praxe posledních dvou desetiletí prokázala, že se zdokonalováním strojírenských výrobků rostou nároky na experiment i na počítačové modely, jejichž sestavování téměř vždy vyžaduje data, která lze získat pouze experimentem. Žádoucí je, aby zdokonalovaná mechanická konstrukce vznikala s využitím koincidence experimentů a numerických výpočtových metod. Právě experiment ověřuje chování zkoumaných objektů při zásazích do jejich struktury a tak prokazuje či popírá správnost počítačového modelování.

Neodhalená chyba v dimenzování výrobku zařazeného do rozsáhlé produkce způsobuje firmě nejen ohromné ztráty při jejím odstraňování u zákazníků, ale především ztrátu dobrého jména, které se jen velmi těžko dobývá zpět. Už vícekrát se stalo, že taková chyba stála i lidské životy.

Elektrohydraulický princip
Elektrohydraulický princip umožňuje ve zpětnovazební regulační smyčce vyvozovat síly požadovaného průběhu a velikosti působící na určené dráze žádanou rychlostí v oboru zdvihů, resp. deformací, přicházejících v úvahu při zatěžování vzorků konstrukčních materiálů i celých strojírenských výrobků. Využívá velké zesílení výkonu. Elektrický řídicí signál velmi malého výkonu přesně definovaný uživatelským programem je pomocí elektrohydraulického převodníku (servoventilu) a vhodného hydromotoru s velkou přesností převáděn na mechanický pohyb značného výkonu. Současné elektrohydraulické zkušební stroje pro zkoušky konstrukčních materiálů a elektrohydraulické zkušební systémy s většími počty hydromotorů pro zkoušky celých konstrukcí, popř. jejich částí, jsou až na výjimky číslicově řízeny počítači.

Elektrohydraulické zkušební stroje
Standardní elektrohydraulické zkušební stroje generují síly v rozsahu stovek newtonů až 20 MN. Zatěžují zkušební vzorky konstrukčních materiálů, popř. součástky strojů, tzv. řídicí veličinou (popř. žádanou silou, tj. silou odpovídající žádané dráze, popř. žádané napjatosti) v pásmu od frekvencí řádu 10-2 Hz např. do 100 Hz. Programy zatěžování jsou řízeny číslicově počítači typu PC vybavenými standardními programy základních zkoušek, jako jsou např. tahová zkouška, nízkocyklová a vysokocyklová zkouška, zkoušky blokovým a náhodným zatěžováním, zkoušky na šíření trhlin. Existuje i množství nestandardních programů pro základní výzkum – např. programy, jejichž průběh je určován výpočtem namáhání v reálném čase.

Žádána je řada nestandardních zkoušek nejčastěji strojních součástek, které si vynutila praxe. Jde o zkoušky torzním zatěžováním a kombinovaným zatěžováním (tah-tlak, ohyb nebo tah-tlak, krut). Elektrohydraulické stroje pro tyto zkoušky jsou vybaveny translačními hydromotory a torzním hydromotorem. Na speciálních elektrohydraulických strojích lze zatěžovat vybrané součástky (např. tlumiče) ve frekvenčním rozsahu do 400 Hz, popř. až do 1 kHz.

Je žádoucí, aby experimenty byly uskutečňovány v podmínkách skutečného využívání zkoumaných objektů. Součástí elektrohydraulických strojů mohou být klimatické komory pro zatěžování v rozsahu teplot –70 až 300 °C, popř. i větším, a komory s agresivním prostředím.

Zkoušky na elektromechanických strojích jsou namístě v případech, kdy jde o konstrukční materiály a součástky zatěžované v praxi pouze staticky. Tyto stroje fungují jako elektromechanické servomechanismy. Jsou zdroji quazistatických sil o velikosti řádově newtonů až několika set tisíc newtonů v rozsahu rychlostí 10–2 µm·s–1 až 50 mm·s–1. Pro síly větší než 500 kN jsou z hlediska konstrukčního i funkčního výhodnější elektrohydraulické stroje.

Elektrohydraulické zkušební systémy
Elektrohydraulické zkušební systémy nejsou, na rozdíl od elektrohydraulických zkušebních strojů, dodávány ve standardním provedení, ale sestavují se podle požadavků zákazníka ze stavebnicového systému výrobce. Elektrohydraulické zkušební systémy s větším počtem nezávislých regulačních obvodů jsou řízeny multiprocesorovými systémy regulujícími řídicí signály tak, aby bylo docíleno simulace reálného provozu zkoumaného objektu. To znamená, že průběh a velikost mechanického zatížení všech relevantních míst konstrukce zatěžovaného objektu odpovídají zatížením, která se naměří při reálném provozu.

Obr. 3.

Například elektrohydraulické systémy pro zkoušky spolehlivosti a životnosti celých automobilů jsou nejčastěji dvanáctikanálové, čtrnáctikanálové i vícekanálové a jsou charakterizovány mnohoparametrickým zatěžováním. To znamená, že více hydromotorů působí na vyšetřovaný automobil, který vykazuje větší počet vlastních frekvencí, často s nelineárním tlumením, a výrazné interakce mezi jednotlivými řídicími smyčkami působících hydromotorů. Tyto i další vlivy jsou zohledněny vytvářením syntetických řídicích signálů odvozených z měření deformací, sil, momentů, výchylek a parametrů kmitavého pohybu zkoumaného vozidla při různých režimech jeho provozu. Funkce všech hydromotorů elektrohydraulického systému lze programovat nezávisle. Řídicí digitální elektronika a její programové vybavení umožňují standardizovanou grafickou obsluhu se snadným ovládáním měřicích a řídicích funkcí.

Rozsáhlejší elektrohydraulické systémy jsou používány při zkouškách spolehlivosti a životnosti mechanické konstrukce dopravních letadel. Nezávisle zatěžujících hydromotorů bývá několik desítek a u mechanických konstrukcí největších dopravních letadel i více než sto. Na vybraných místech konstrukce je nalepeno až několik tisíc tenzometrů, jejichž signály jsou měřeny a zpracovány v průběhu zkoušky a některé z nich využívany k regulaci průběhu zatěžování.

Návrat ke kvalitě našeho strojírenství
Značný útlum domácího strojírenství podstatně snížil jeho tvůrčí potenciál. Dokladem je minimální využití našich dynamických zkušeben středními a velkými českými podniky, související s nedostatkem inovačních činností. Klesá i počet tvůrčích pracovníků angažujících se v této oblasti. Plně vytížena je dynamická zkušebna ve Škoda Auto v Mladé Boleslavi. Další výjimku tvoří některé menší strojírenské podniky s převahou zahraničního kapitálu, ve kterých bylo postaveno několik zkušeben pro zkoušky součástek a vzorků konstrukčních materiálů.

V posledních měsících svitla naděje, že se podaří tento trend změnit a postupně rozšířit výzkumné a vývojové zázemí českého strojírenství. Účinnou pobídkou ke zvyšování jakosti českých výrobků v klimatu očekávaného pronikavého nárůstu konkurence se stává blížící se vstup České republiky do Evropské unie. Jde o modernizaci funkce těchto výrobků s využitím nových materiálů, prvků informatiky, automatizace a výpočetní techniky. Samozřejmě jde také o dodržování závazných norem a předpisů týkajících se např. bezpečnosti provozu výrobků, zavedení systémů řízení jakosti podle norem ISO řady 9000 atd.

Na současném světovém trhu neexistuje složitější konkurenceschopný strojírenský výrobek, v provozu dynamicky namáhaný, který by nebyl dimenzován na základě číslicových výpočtových metod a náročného experimentu.

Ing. Jiří Černohorský, DrSc., absolvoval v letech 1948 – 1952 Elektrotechnickou fakultu ČVUT v Praze. Poté pracoval v odborných vedoucích funkcích v letectví v podniku Avia a ve VZLÚ. Kandidátskou dizertační práci na téma Snímače parametrů mechanického kmitání obhájil v roce 1967. V letech 1969 – 1991 pracoval v podniku Inova na koncepci elektrohydraulických zkušebních strojů a systémů. Doktorskou dizertační práci na téma Aplikace křemíkových tenzometrů ve snímačích fyzikálních veličin obhájil v roce 1991. Je autorem, popř. spoluautorem, více než dvaceti vynálezů. Publikoval několik desítek vědeckých prací.

Ing. Antonín Řehák studoval v letech 1960 – 1964 na ČVUT specializaci měření a regulace. V podniku Elektročas a později v podniku Synchron se úspěšně podílel na výzkumu a vývoji křemenných hodin a řady vědeckých přístrojů. V letech 1971 – 1985 pracoval v podniku Inova na výzkumu a vývoji elektrohydraulické zkušební techniky. Od roku 1985 pracoval ve stejné oblasti pro firmu Schenck a od roku 1994 řídil její zastoupení. Od roku 1996 podniká a zastupuje firmu Instron Schenck Testing Systems. Publikoval několik desítek odborných prací.