OBLASTI STROJÍRENSTVÍ

Transkript

1 Úvod do předmětu KONSTRUKCE I OBLASTI STROJÍRENSTVÍ hutní prvo- a druhovýroba (plechy, dráty, šrouby aj.) výroba obráběcích a tvářecích strojů, zařízení pro strojírenskou výrobu dopravní technika (automobily, letadla, kolej. vozidla, lodě, jeřáby, dopravníky aj.) stroje stavební, úpravárenské, pro zemní práce, důlní, zemědělské stroje pro chemický a potravinářský průmysl a sklárny energetické strojírenství (kotle, turbiny, jaderná zařízení) technika tekutin (čerpadla, kompresory, chlazení, hydro- a pneu mechanismy) technika prostředí (vytápění, větrání, klimatizace) stroje pro textilní průmysl, oděvnictví, obuvnictví, spotřební průmysl stroje dřevozpracující a pro nábytkářský průmysl přístrojová a automatizační technika a optika silnoproudá elektrotechnika slaboproudá elektrotechnika, elektronika, mikroelektronika aj.

2 Používané jednotky: soustava MKSA (metr, kilogram, sekunda, Ampér, Kelvin, mol, kandela a další odvozené) pro technické výpočty v oblasti dimenzování (pevnostní kontroly) obvykle mm, N, 1 MPa = 1 N/mm 2 v literatuře také jednotky anglické délky v palcích, stopách, yardech (1inch = 1 in = 25,4 mm, 1 ft = 12 in = 304,8 mm, 1 yd = 3 ft = 36 in = 914,4 mm, 1 Eng. mile = 1760 yds = 1609,34 m) - plocha square inch, square foot, objem cub. inch, cub. ft, cub. yd, - hmotnost libra 1 lbm = 0, kg, long ton 1T = 2240 lbm, - síla libra, pound, 1 lbf = 4, N = 0, kp (pro gravitační zrychlení g = 9,80665 m.s -2 ) - tlak, namáhání libra na square inch (lbf, pound per square inch) 1 psi = 6894,757 Pa = 0, MPa, násobky nejsou po 10, např. 1 long ton má 20 Hundred-cent, 1 long ton má 80 quarters, quarter má 28 lbf, - proto 1 T = = 2240 lbm, libra má 16 uncí (ounce oz), 1 oz = 28,34953 g, pro technické výpočty jsou důležité jednotky pro namáhání a tlak - měření tlaku výškou sloupce tech. atmosféra 1 at = 735,5 Tor = 735,5 mm Hg = 10 4 mm H 2 O = 0, MPa = 1 kp/cm 2, - atmosférický tlak (fyzikální atmosféra uhlad. moře) 1 atm = 760 mm Hg = mm H 2 O = 0, MPa, - měření barometrického tlaku v barech 1 b = 1000 mb = 750,062 mm Hg (Tor) = 0, MPa. V technických výpočtech se zpravidla zanedbává odchylka hodnoty grav. zrychlení od 10 m/s 2, takže 1 kp = 10 N atd.

3 ZÁKLADY PEVNOSTNÍCH VÝPOČTŮ STROJNÍCH ČÁSTÍ Poruchy a havárie jsou podnětem rozvoje vědy v určité oblasti (mechanika, pružnost a pevnost) Namáhání strojních částí - statické Tah tlak smyk - ohyb krut a kombinace, napjatost jednoosá a víceosá, plasticita matice závitová tyč dílenský zvedák axiální ložisko nůžkový zvedák Namáhání ve smyku τ Problémy stability vzpěr, zhroucení při ohybu, vybočení při krutu, boulení tenkých stěn. Namáhání v dotyku Hertzova teorie.

4 Navrhování konstrukcí Základní pojem - bezpečnost Koeficient bezpečnosti k je v nejjednodušším případě poměr mezní přípustné hodnoty namáhání ke skutečnému namáhání. Mezní hodnota je odvozena od vlastností použitého materiálu, podmínek zatěžování a požadavků na provoz zařízení (osobní výtah proti dopravníku na uhlí). Skutečné namáhání je ovlivněno přesností způsobu jeho stanovení (metoda výpočtu, experimentální stanovení). k = σ př σ k = 1,1 až 12 Určení mezní přípustné hodnoty namáhání : Stanovení mechanických vlastností materiálu obvykle vychází z měření v laboratoři trhací stroj a diagram zkoušky v tahu. Zkoušky jsou statické a dynamické (meze kluzu, pevnosti a meze únavy, tvrdost). trhací stroj tvrdoměr Vickers, Brinell, Rockwell

5 Vlastnosti konstrukčních materiálů a jejich zkoušení Konstrukční ocel tahová zkouška a Hookeův zákon, závislost F a Δl, resp. σ a ε mez úměrnosti σ U [MPa] σ = F A ε = Δl l mez pružnosti σ E [MPa] kontrakcí se průřez zmenšuje mez kluzu σ Kt [MPa] mez 0,2 σ 0,2 [Mpa] mez pevnosti σ Pt [MPa] součinitel kontrakce m [ - ] Poissonova konstanta μ [ - ] modul pružnosti tah E [MPa] modul pružnosti smyk G [MPa] tažnost δ [ % ] vrubová houževnatost a v [N.m -1 ] tvrdost HB, HRB, HRC, HV [MPa] Zkoušky provozní, technologické, spektrální analýza, měření tvrdosti, Charpyho kladivo

6 b ) C ) Charpyho kladivo a) schéma b) malé c) velké Rázová pevnost (vrubová houževnatost)

7 Konstrukční oceli vlastnosti : Označení oceli Mez průtažnosti Ϭ Kt [MPa] Mez pevnosti Ϭ Pt [MPa] Tažnost δ % Obsah uhlíku C % Mez únavy střídavý tah tlak Ϭ C [MPa] Mez únavy střídavý ohyb Ϭ C [MPa] Mez únavy střídavý krut τ C [MPa] Tvrdost podle Brinella HB , , , , , , Důležité konstanty pro oceli: modul pružnosti v tahu E = 2, MPa modul pružnosti ve smyku G = 8, MPa součinitel tepelné roztažnosti α = K -1 Poissonovo číslo μ = 0,3 hustota ρ = 7, kg. m -3 (měrná tíha γ = 7850 kp. m -3 ) měrná tepelná kapacita c = 0,461 kj. kg -1. K -1 tepelná vodivost λ = 47 W. m -1. K -1 vrubová houževnatost a V = práce / plocha = 1 MPa. m tvrdost (měkká ocel o pevnosti 500 MPa) HB = 140 (Brinell)

8 Únavový lom (křehký lom) Lom se rozvíjí od počáteční poruchy (trhlinka) s postupným zmenšováním nosného průřezu. N Wöhlerova křivka Pro různá namáhání vydrží materiál větší či menší počet zatěžovacích cyklů, než dojde k poruše. W. křivka je složena z bodů, které odpovídají poruše v případě jednoho zatěžování (cyklicky a stejné namáhání).

9 Časově proměnné zatěžování a únava Tepavé pulzující zatížení σ m a σ a 0 Střídavé namáhání σ m = horní napětí střední napětí amplituda napětí počet cyklů σ h σ m σ a N Wöhlerova křivka v logaritmických souřadnicích Wöhlerova křivka σ a N pro střídavé nebo míjivé namáhání

10 Účinky vrubů a trvalá/časovaná pevnost Vruby vyvolávají nerovnoměrné rozložení napětí a špičky napětí velikost špičky napětí ovlivní tvar vrubu (např. poměr poloměru zaoblení k průměru plochy aj.) charakter povrchu může vést ke vzniku trhlin velikost průřezů vede k spádu napětí (gradientu) materiály vykazují různou citlivost k vrubům Meze únavy pro zkušební vzorek σ C a pro skutečnou součást s vrubem σ C X σ C X = σ C. V o. η p β β = 1 + (α -1). η C diagram a) Smithův b) Haighův Smith Haigh a b

11 Hypotézy pevnosti pro kombinaci namáhání ohyb (tah) a krut Guest, Mohr maximálního smykového namáhání (pro tvrdou ocel) α 0 = 2 Huber-Mises-Hencky největší přetvárné práce (HMH pro měkkou ocel) α 0 = 3 σ max = σ 2 + (α 0.τ) 2 σ D Kontakty a namáhání v místě dotyku podle Hertze Kontakt dvou koulí, dvou válců poloměry R 1 a R 2, moduly pružnosti E 1 a E 2 Poissonova čísla μ 1 a μ 2 a přítlačná síla F pro dvě koule je šířka stykové plošky úměrná F 1/3 stejně jako napětí, přiblížení je úměrné F 2/3 pro dva válce je šířka stykové plošky úměrná F 1/2 stejně jako napětí, přiblížení je úměrné F Tvrdost a její měření (pevnost úměrná tvrdosti rychlé zjištění kvality materiálu) Brinell HB Rockwel HRC, HRB Vickers HV Shore tvrdoměr Poldi

12 Základy normalizace a technického strojnického kreslení Řady vyvolených čísel (geometrické řady s kvocientem 10 ), výkresy sestav, výkresy výrobní, montážní, svařovací sestavy, používání řezů, částečných pohledů, detailů, rozvinů aj. Kótování na výkresech, pozice, popisová pole, razítko, rozpiska, kusovník. Označování přesnosti (lícování, tolerance), drsnosti, další popisy (rýhování, tepelné úpravy aj.). Značení materiálů a polotovarů. Číslování výkresů a další údaje. Programové balíky CAD modeláře, podpora výkresů, soubory norem, komponent aj. r Ukázky výkresů sestav a detailů (výrobních výkresů součástí), viz např. Výroba a přesnost lícování, kalibry, lícovací soustava. Na tomto snímku uvedená témata jsou probírána v předmětech Technické kreslení (550TK) a Materiály a technologie (550MT).

13 Postup návrhu strojního celku Návrh konstrukce může být : Moderní metody navrhování : empirický (zkušenosti, empirie) algoritmický (exaktní zákonitosti včetně postupů optimalizace) kombinovaný rapid prototyping reversní inženýrství Rapid prototyping využívá vytváření reálných modelů z 3D modelů v elektronickém formátu, které jsou výstupem CAD programů (AutoCAD, Unigraphics, Solid Edge, Solid Works, ProEngineer aj.). Reálné modely z plastů, papíru, práškových kovů aj. produkuje počítačová periferie stereolitograf, 3D tiskárna aj. Reversní inženýrství spojuje práci uměleckého designéra s prací konstruktéra. Modely vytvořené designérem jsou snímány 3D skenerem a převáděny do elektronického 3D formátu (např. STEP). Elektronický formát umožní provedení např. analýzy FEM (zjištění namáhání metodou konečných prvků) a úpravu modelu ve směru optimalizace z hlediska namáhání (obecně i funkce). Periferií typu 3D tiskárna je vytvořen model, který může být opět upravován designérem. Postup může být vícekrát opakován proto reversní inženýrství. analýza FEM

14 3D skener

15 3D tiskárna