VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY NÁVRH KONSTRUKCE TREZOROVÝCH DVEŘÍ DESIGN OF VAULT DOORS

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÍRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE DESIGN NÁVRH KONSTRUKCE TREZOROVÝCH DVEŘÍ DESIGN OF VAULT DOORS DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR MIROSLAV PEŠEK ING. JIŘÍ DVOŘÁČEK BRNO 2007

2 ABSTRAKT Trezory jsou zařízení sloužící pro úschovu cenností. Vzhledem ochraně uložených předmětů podléhají informace o konstrukci trezorů utajení, spolu s materiály použitými pro výrobu. Jedinou částí nepodléhající utajení jsou panty, neboť na trezoru neplní žádnou bezpečností funkci. Současně, se zvyšujícími se nároky na vzhled trezorů, je nutné hledat nová řešení pantů, které vyhoví novým požadavkům. Na základě přání zákazníků navrhla firma P-KOVO pant odlišné konstrukce. Tyto navržené panty jsou podrobeny pevnostním výpočtům a kontrole celkové tuhosti konstrukce. Toto, současně s hledáním optimální polohy umístnění pantů na trezoru, resp. rámu, je provedeno v první části tohoto práce. Druhá část se zabývá hledáním možné netradiční konstrukce pro trezorové dveře hmotnosti cca 1000 kg. Vzhledem k těmto požadavkům je zvolena konstrukce s vnitřním uložením pantů, která je zcela ojedinělá pro dveře takovýchto parametrů. Součástí návrhu je kompletní pevnostní analýza provedena pomocí počítačových simulací. Kličová slova: trezorové dveře, panty, pevnostní analýza, trezory ABSTRACT Safes are equipement used to protect valuabls. Due to security of protected subjects details about safe s construction are confidential together with materials used to their production. Only one non-confidential part in safe construction are hinges because they have no protective function. It is very important to search new technology solutions for hinge s development because of new requests to their design. According to customer s demands firm P-KOVO designed hinge of different construction. Hinges are put through strenght calculations and complex stifness control. These part of work altogether with searching optimal hinge s position is described in first part of this thesis. Second part is focused on possible non-convetional constructions suitable for safe doors of 1000kg weight. Considering to these requests construction with inner bearing is selected. This solution is very unusual for such hinge construction. Complete streght analysis calculated with computer simulation is part of project. Key words: vault doors, hinges, strenght calculations, safes Bibliografická citace Pešek, M. Návrh konstukce trezorových dveří. Brno: VUT-FSI, s.

3

4 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci Návrh konstrukce trezorových dveří vypracoval samostatně pod vedením Ing. Jiřího Dvořáčka, a uvedl v seznamu všechny literární, odborné i jiné zdroje. V Brně dne:. Miroslav Pešek

5

6 Obsah OBSAH obsah 11 úvod 13 Formulace problému a cíle řešení 15 Současný stav řešení problému 15 Jádro diplomové práce 19 1 Hledání optimální polohy pantů Základní parametry Analytické výpočty Definice stavu Vlastní výpočty Vyhodnocení výsledků Výpočtové simulace Odladění výpočtů Zjednodušení modelu Okrajové podmínky Výsledky počítačové simulace Zhodnocení výsledků Úprava konstrukce Centrální pant Okrajové panty Porovnání konstrukcí Centrální pant Okrajové panty 35 2 Návrh vlastní konstrukce pantů Vstupní parametry konstrukce Základní návrh Hledání středu rotace Definice problémů středu otáčení Postup hledání středu otáčení Návrh pantů Návrh ramene pantu Návrh uložení v rámu Výpočtové simulace Výpočet optimálního rozměru čepu Návrh a výpočet uložení Výsledky návrhu Analytické výpočty Definice stavu Vlastní výpočet Vyhodnocení analytických výpočtů Montážní postup Výroba dveří Výroba rámu Dokončovací operace Montáž celku Zhodnocení konstrukce 52 3 Závěr 54 11

7 Obsah 4 Seznam použitých zdrojů 56 5 Seznam použitých zkratek, symbolů a veličin 57 6 Seznam obrázků a grafů 58 7 Seznam tabulek 59 8 Seznam příloh 60 12

8 Úvod ÚVOD Trezor je obecně zařízení pro uschování cenností včetně listovních dokumentů, podléhajících utajení. Trezory je možné rozdělit podle několika kritérií, jakými jsou konstrukce, použití a bezpečnostní třída trezoru. V současné době se na trhu objevuje několik konstrukčních řešení trezorů. Hlavní rozdělení je na samostatně stojící, nástěnné a zastavěné trezory. Dále se rozlišují trezory skříňové a komorové. Skříňový trezor je obecně samovolně stojící trezor, který je možné přemisťovat. Existují i konstrukce skříňových trezorů, které jsou určeny k zastavění, nebo-li zazdění. V tomto případě se jedná o menší trezory, například hotelové apod. Druhým konstrukčním řešením jsou trezory komorové, určené výhradně k zazdění. Jedná se o velké trezory, např. bankovní, kdy se zazdí pouze rám pro dveře a zbytek trezoru tvoří bezpečnostní zdivo. Další možné rozdělení je podle použití, kde rozlišujeme několik základních typů. Hlavní skupiny jsou trezory pro uložení zbraní, dále pak pro uložení listovních dokumentů. V těchto případech se jedná o trezory spíše nižších bezpečnostních tříd, o kterých je pojednáno níže. Dále jsou trezory pro uložení cenností s vyšší nominální hodnotou, jako jsou např. šperky a finance. Posledním typem jsou trezory bankovní, které jsou řazeny do nejvyšších bezpečnostních tříd. Základním kritériem třídění trezorů je bezpečnostní třída. Tato třída dle Tab. 1 určuje výši pojistného a škodu, za kterou ručí pojišťovna v případě vykradení trezoru. Tab. 1 Seznam bezpečnostních tříd [1] počet zámků orientační úložná částka třída 0 1ks Kč počet zámků orientační úložná částka třída I 1ks Kč počet zámků orientační úložná částka třída II 1ks Kč počet zámků orientační úložná částka třída III 1ks Kč počet zámků orientační úložná částka třída IV 2ks Kč počet zámků orientační úložná částka třída V 2ks Kč počet zámků orientační úložná částka třída VI 2ks Kč , , , , , , ,- Příslušná třída je přidělena na základě zkoušek vykonaných nezávislou certifikovanou společností. Přiřazení do dané skupiny je závislé na konstrukci trezoru a zámkového mechanismu. Trezory jsou podrobovány testům [1], při kterých se mechanik pokouší prolomit zábranu a proniknout do trezoru. Reálně neexistuje nedobytný trezor. Měří se doba, po kterou je trezor schopen odolávat otevření. V praxi je ve většině případů trezor schopen odolávat náporu nelegálního vstupu po dobu delší, neboť testovací mechanik má podrobný přehled o slabých místech trezoru. Výsledkem testu je certifikát a štítek obr. 1 [1], jenž je instalován v každém trezoru, který prošel testem. 13

9 Úvod Panty samotné na trezoru neplní žádnou bezpečností funkci, tudíž není snaha panty chránit proti poškození. V poslední době je požadován od trezorů kvalitní design, proto výrobci přicházejí s novými řešeními jak samotných trezorů tak i jejich pantů. Obr. 1 Etiketa s uvedením bezpečnostní třídy [1] Většina navržených pantů se navrhuje pouze na základě zkušeností, strojařského citu, a nepodléhá žádným zkouškám a ověřovacím pevnostním výpočtům. 14

10 Současný stav řešení problému FORMULACE PROBLÉMU A CÍLE ŘEŠENÍ Většina dnes prodávaných trezorů má panty navržené na základě zkušeností konstruktéra. Konstrukce pantů, jejich umístění a průměry čepu jsou voleny pouze na základě citu a zatím nebylo provedeno matematické ověření, popřípadě hledání optimální polohy pantů na trezorových dveřích. Dalším problémem je design dnešních trezorů. Ve většině případů mají trezory velmi podobný vzhled. Jediným rozlišením může být použití vnitřního a vnějšího pantu, kdy dochází ke změně designu celku. Cílem této diplomové práce je vytvoření matematického modelu, pomocí kterého bude možné ověřit vhodnost volených čepů použitých na konkrétních trezorech. Součástí je také nalezení optimální polohy umístění pantů na dveřích trezorů, vzhledem k minimálnímu namáhání čepů a minimálnímu posuvu dveří, který nesmí přesáhnout 1mm. Hlavním úkolem práce je navržení vlastní konstrukce pantů s netradičním designem. Součástí návrhu je úplná analýza namáhání pantů, čepů a uložení pantů a čepů v samotném rámu trezoru. SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÍ PROBLÉMU U pantů trezorových dveří se rozlišují dva základní typy konstrukčního řešení. Jedná se o trezory s vnějšími panty obr. 2 [2] a o konstrukci s vnitřním uložením pantů obr. 6 [3]. Panty jsou ve většině případů použity dva, maximálně tři. Třetího pantu se používá v ojedinělých případech a to zejména pro vedení kabeláže. Tento pant není brán jako nosný. Panty vnější V praxi je více uplatňováno řešení s vnějšími panty. Tato konstrukce má hned několik výhod, z nichž nejpodstatnější je snadná montáž. Většina z takto řešených pantů je umístěna na čelní straně dveří a rámu trezoru, jak je vidět na obr. 2 [2]. Řešení s vnějšími panty je také konstrukčně výhodné a jednoduché. Obr. 2 Trezorové dveře s vnějšími panty [2] 15

11 Současný stav řešení problému Z důvodu vyšší pevnosti a nosnosti se panty používají zejména pro trezory vyšších bezpečnostních tříd. U těchto trezorů je přední část vyplněna speciální betonovou směsí a hmotnost dveří běžně přesahuje i jednotky tun. Na obr. 2 jsou dveře velkého bankovního trezoru o hmotnosti cca 4,5 tuny, IV. bezpečnostní třídy. V takto řešených pantech jsou nejběžněji používané čepy o průměru 14mm u dveří do hmotnosti 300kg, pro větší dveře bankovních trezorů ve většině případů vyhoví čepy o průměru 20mm. Samotné čepy jsou namáhány nejvíce smykovým napětím, dále jsou kontrolovány na otlačení, které vzhledem k napětí smykovému je méně nebezpečné. K otlačení dochází nejvíce na čelních stranách čepů, čemuž se dá účinně zabránit vhodnou konstrukcí, kdy váha dveří není nesena pouze samotným čepem ale i vlastní plochou pantu. Tímto způsobem je konstruována většina pantů. Další podstatná výhoda je v následné snadné možnosti seřízení uložení dveří. Dveře mohou po určitém čase tzv. sednout a je nutné seřídit jejich správnou polohu vzhledem k rámu trezoru. Seřízení uložení se ve většině případů provádí demontáží dveří z čepů, vložením vhodných podložek mezi panty a následným zpětným usazením. Tato revize je současně jediným servisním zákrokem, neboť panty jsou konstruovány jako bezúdržbové. Panty P-KOVO S jistou odlišností přišla firma P-KOVO, jak dokládá obr. 3. Celá hmotnost dveří je zde nesena pouze vlastními čepy, což lze považovat za nevýhodu. Při této konstrukci je však potřebná nižší síla k otevření dveří, která je u těchto pantů dále snížena teflonovou vložkou. Další jistou nevýhodou je téměř nemožná regulace uložení dveří. Byla navrhnuta i varianta s použitím stavitelného čepu, který je zašroubován do spodního dílu pantu, celá konstrukce je zobrazena na obr. 4. Toto řešení umožnilo bezproblémovou a bezdemontážní regulaci uložení dveří. V tomto případě je pant navrhován pouze pro menší skříňové trezory s dveřmi do hmotnosti 300kg, kde se očekávají velmi malé deformace a nebudou nutné další zásahy upravující uložení dveří. Z tohoto důvodu také bylo zamítnuto řešení se stavitelným čepem a také z důvodu snížení výrobních nákladů a prodejní ceny. Návrh firmy P-KOVO vychází zejména z požadavků zákazníka na odlišný design, což se projevuje i na odlišném umístění pantů na boční, nikoli čelní, straně trezoru, jak je možno vidět i na obr. 5. Mimo toto řešení se objevují na trhu i jiné konstrukce, založené na obdobném principu zobrazeném na obr. 2 [2]. Jedná se pouze o jinou tvarovou variaci, neboť panty jsou shodně přivařeny na čelní stranu trezorových dveří a také většina hmotnosti spočívá na ploše pantů, nikoli na samotném čepu. Panty vnitřní U trezorů nižších bezpečnostních tříd výrobci často používají panty s vnitřní konstrukcí. Trezorové dveře těchto trezorů jsou podstatně lehčí, neboť betonová směs je nahrazena polyesterem. Toto vede k nižším požadavkům na tuhost těchto pantů. Také nevýhoda, v podobě téměř nemožné regulace čepů je v tomto případě zavádějící. Vzhledem k nízké hmotnosti dveří jsou očekávány velmi malé deformace. Z tohoto důvodu se demontáž dveří a následná regulace uložení neuvažuje. 16

12 Současný stav řešení problému V případě trezorů s vnitřními panty je zjevný líbivější design, jak je možné posoudit na obr. 6 [3]. Designová stránka je současně jediná výhoda, neboť u těchto pantů je složitější montáž a také konstrukce. Horní díl pantu Čep Teflonové pouzdro Spodní díl pantu Obr. 3 Pant firmy P-KOVO Horní díl pantu Čep se závitem Teflonové pouzdro Spodní díl pantu Obr. 4 Pant P-KOVO se stavitelným čepem 17

13 Současný stav řešení problému Dveře Horní díl pantu Rám Spodní díl pantu Obr. 5 Vzhled pantu P-KOVO na trezoru Po celém obvodu jsou umístěny bezpečnostní čepy, plnící hlavní bezpečnostní funkci. U trezorů s vnějšími panty jsou čepy umístěné na vnitřní straně ( pantů) pevné, ostatní zajíždějí. Trezory s vnitřními panty musí být vybaveny bezpečnostními čepy s možností zasunutí do dveří. Vnitřní panty neumožňují umístění čepů pantů, tedy i osu rotace dveří, do dostatečné vzdálenosti umožňující vyjetí čepů z rámu při otevírání dveří. Určitým paradoxem je, že konstrukce trezorů s vnitřními panty se užívá zejména pro trezory nižších bezpečnostních tříd, je tedy možné sledovat jistý záměr výrobců ve zdánlivém zvýšení nedobytnosti trezorů. Zde je nutné opět připomenout fakt, že samotné panty neplní žádnou bezpečnostní funkci, neboť po jejich odstranění jsou dveře stále jištěny bezpečnostními čepy. Obr. 6 Trezor s vnitřními panty [3] 18

14 Hledání optimální polohy pantů JÁDRO DIPLOMOVÉ PRÁCE Diplomová práce se skládá ze dvou hlavních částí. První část je vypracována ve spolupráci s firmou P-KOVO. Tato firma uvedla na trh nový systém pantů zobrazený na obr. 3 a obr. 5. Vzhledem ke konstrukční odlišnosti bylo nutné provést kontrolní výpočty, ověřující návrh, případně provést optimalizaci. Druhá část diplomové práce se zabývá návrhem vlastní konstrukce pantů, zejména s ohledem na originalitu řešení. Součástí tohoto návrhu jsou kompletní výpočty a výkresová dokumentace. 1 HLEDÁNÍ OPTIMÁLNÍ POLOHY PANTŮ Ve spolupráci s firmou P-KOVO, která uvedla na trh výše zmíněný typ pantů, jsou prováděny výpočty vedoucí k optimalizaci tohoto konstrukčního návrhu. Pro komerční využití je řešeno pouze namáhání čepů. V další fázi je popsáno hledání optimální polohy pantů na trezoru a rámu. 1 Tab. 2 Přehled variant trezorů Vnitřní rozměry Vnější rozměry Počet křídel Označení Výška Šířka Hloubka Výška Šířka Hloubka dveří [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] TF jednokřídlé TF jednokřídlé TF jednokřídlé TF jednokřídlé TF jednokřídlé TF jednokřídlé TF dvoukřídlé TF dvoukřídlé 1.1 Základní parametry Panty navržené firmou P-KOVO jsou určeny pro několik rozměrově odlišných trezorů, uvedených v tab. 2. Všechny dveře jsou konstruovány jako dvoustupňové, shodné tloušťky stupně 40mm. Jedná se o trezory vyšší bezpečnostní třídy, tudíž je přední stupeň vyplněn speciální betonovou směsí. Hmotnost dveří u těchto trezorů se pohybuje od 50kg do 250kg. Na všechny trezory jsou použité shodné panty a řešení proběhlo pouze pro největší trezor s označením TF801. Všechny panty jsou shodné konstrukce a osazeny čepy 12x61mm Analytické výpočty Definice stavu Pant této konstrukce je odlišný od běžných pantů, se kterými se můžeme setkat na trezorech. Nejpodstatnější rozdíl je v namáhání čepu. Celá hmotnost těchto dveří spočívá pouze na průřezu čepu, nikoli na ploše samotného pantu, jak je tomu u jiných konstrukcí. Z tohoto důvodu je čep více namáhán na otlačení, zejména na

15 Hledání optimální polohy pantů čelních stranách. Analytické řešení je zde uvedeno pouze pro porovnání s výstupem z výpočtového software ANSYS Workbench 10. Na Obr. 7 je schématické znázornění uložení dveří, včetně působení zátěžové síly F D. Obr. 8 znázorňuje uvolněnou a zjednodušenou situaci. Zjednodušení je nutné pro získání potřebného počtu stupňů volnosti a následné určení statické rovnováhy. Z tohoto důvodu je horní uložení odebírající 5 stupňů volnosti nahrazeno prostou rotační vazbou Vlastní výpočty Pro vlastní výpočet byla stanovena hmotnost dveří na 230kg. Tato hodnota vyplývá z požadavků zadavatele, firmy P-KOVO. Nejpodstatnější část hmotnosti tvoří betonová výplň, o hustotě 900kg/m 3, umístěna v prvním stupni trezorových dveří. Jedná se o speciální betonovou směs s vyšší odolností proti odvrtání, v porovnání s klasickým betonem. Složení této směsi podléhá utajení, neboť se jedná o hlavní bezpečnostní prvek. Součástí prvního stupně je i armování z běžné oceli a kalené pláty s měrnou hmotností 16kg/m 2. Podstatnou část hmotnosti dveří zaujímá vlastní zámkový systém, jehož hmotnost byla stanovena zadavatelem na 50kg. K samotné hmotnosti dveří m D je dále přičteno 100kg, z důvodu přetížení při nepředvídatelném zatížení. Na základě hmotnosti dveří je určena zatěžující síla F D, výpočet (1). Dále je stanovena statická rovnováha, vzorec (2, 3, 4), na základě čehož jsou vypočteny velikosti reakčních složek, jak ukazují výpočty (5, 6, 7). Závislost síly F Ax resp. F Bx na vzdálenosti a je znázorněna v grafu 1. Z grafu vyplývá lineární závislost síly na vzdálenosti, jak bylo očekáváno. Rozhodující ukazatel je namáhání čepu v závislosti na vzdálenosti pantu od středové osy. Čep je namáhán výhradně smykovým napětím, viz vztah (8). Podle vztahu (9) je vypočteno smykové napětí, jehož závislost na vzdálenosti a je vynesena v grafu 2. Obr. 7 Schématické znázornění uložení dveří 20

16 Hledání optimální polohy pantů Obr. 8 Schématické znázornění uvolněné sestavy Vlastní výpočty: Zatěžovací síla F D m D g 330kg 9.807ms N Kde: F D [N] - zatěžovací síla; m D [kg] - hmotnost dveří; g [ms -2 ] - tíhové zrychlení; (1) Reakce v ose x F x 0 F Ax F Bx 0 Reakce v ose y F Ax F Bx M ox 0 (2) F y 0 F D + F By 0 M oy 0 (3) Reakce v ose z F By F D F z M oz 0 F Bx 2a F D b 0 i := 150 (4) 21

17 Hledání optimální polohy pantů Stanovení reakčních složek F D b 3 2, N 300mm F Bxi 2 a i 2 a i přičemž a <500,750> F Ax F Bx F By = N (5) (6) (7) Kde: F Ax [N] - reakce v bodě A v ose x; F Bx [N] - reakce v bodě B v ose x; F By [N] - reakce v bodě B v ose y; a [m] - vzdálenost pantu od středové osy; b [m] - vzdálenost těžiště dveří od osy otáčení dveří; Výpočet smykového napětí Předpoklad l 10 99,4% ohybového napětí, 0,6% napětí smykového d (8) l 30mm d 12mm 2.5 součást je namáhána výhradně smykovým napětím Vlastní smykové napětí F Bxi 4 F Bxi τ i S 2 π d c Kde: S [m 2 ] d c [m] l [m] - průřez čepu; - průměr čepu; - délka čepu; 4 F Bxi π m (9) Dále byl proveden výpočet na otlačení čelní stěny čepu pantu (10). Běžná pevnost oceli ČSN na otlačení je 412MPa [4], proto vypočtené napětí nepředstavuje žádné riziko.. Namáhání na otlačení p 4 F D 2 π d c N π m p 28, 614MPa Kde: p [Pa] - napětí na otlačení; Pa (10) 22

18 Hledání optimální polohy pantů Graf 1 Závislost napětí a síly na poloze pantů Závislost polohy pantu na napětí Síla na čep [N] Vzdálenost pantů od středové osy [mm] Smykové napětí čepu [MPa] Síla Smykové napětí Vyhodnocení výsledků Na základě analytických výpočtů je jednoznačné, že průměry čepů pantů jsou navrženy s dostatečným bezpečnostním koeficientem. Současně z průběhu smykového napětí vyplývá, že se zvyšující se vzdálenosti pantů od středové roviny dveří smykové napětí klesá. V celém průběhu nenabývá smykové napětí hodnoty vedoucí ke koeficientu bezpečnosti k< Výpočtové simulace Vzhledem k zmíněným vzniklým nepřesnostem při analytických výpočtech jsou provedeny výpočty pomocí software ANSYS Workbench 10. Výpočty proběhly opět na modelu trezoru s označením TF801. Vstupní parametry jsou shodné s analytickými výpočty. Hmotnost dveří 230kg, dle požadavků zadavatele, opět je přidáno 100kg představujících nepředvídatelné zatížení Odladění výpočtů Nejdříve byl vytvořen model trezoru s rámem, pomocí software Autodesk Inventor Professional 11. Pomocí formátu *.sat byl model přenesen do výpočtového software ANSYS Workbench 10. Tento model odpovídal reálnému trezoru a byl použit pro odladění výpočtů. V prvních výpočtech byl pant spojen s rámem a dveřmi způsobem podobným reálné montáži. Mezi horním dílem pantu a čepem se použila vazba třecí frictional s koeficientem tření 0,08, odpovídající koeficientu tření mezi ocelí a teflonem [4]. Na základě těchto výpočtů byly získány výsledky, vykazující velkou míru nepřesnosti. Na obr. 9 je uveden výsledek prvních výpočtů, kde je viditelný vznik nehomogenního napětí a lokálního maxima. Tyto výsledky jsou ovlivněny nízkou hustotou konečno-prvkové polygonální sítě

19 Hledání optimální polohy pantů Obr. 9 Nehomogenity napětí v důsledku malé hustoty sítě Zjednodušení modelu Na základě těchto zjištění byl vytvořen nový model. Pant je zde umístěn na hranol pevně již v modelovacím software Inventor. Tento hranol je následně pomocí vazby bonded připevněn do rámu resp. dveří trezoru. Tímto způsobem bylo možné vytvoření jemnější polygonální sítě v místě kontaktu a také lokální zjemnění přechodu mezi pantem a rámem. V tomto případě došlo k výraznému zpřesnění výsledků, nicméně nebylo docíleno odstranění lokálních maxim. Pro odstranění lokálních maxim byla zapotřebí velmi jemná síť, která nebyla přípustná vzhledem k délce výpočtu a zejména s ohledem na omezený počet prvků sítě. V důsledku těchto zjištění byla třecí vazba nahrazena vazbou No seperation. Při užití této vazby dochází k určitým nepřesnostem, neboť je odstraněn vliv tření. Vzhledem k předpokládanému charakteru namáhání čepu jsou tyto nepřesnosti na přijatelné úrovni. Dalším zjednodušením bylo odstranění teflonových pouzder z horního dílu pantu. K tomuto kroku došlo po konzultaci se zadavatelem, v důsledku neukončeného vývoje konstrukce pantů. Současně také nebyla známa konstrukce samotné teflonové výstelky. Nicméně i z úvodních výpočtů vyplynulo, že namáhání této vložky je minimální. Z obr. 10 je zřejmé, že mimo lokálního maxima je napětí téměř zanedbatelné. 24

20 Hledání optimální polohy pantů Obr. 10 Rozložení napětí u teflonové vložky Model byl pomocí zkušebních výpočtů odladěn a postupně bylo vymodelováno, pomocí software Autodesk Inventor Professional 11, 6 variant s odlišnou vzdáleností pantů od středové osy. Jednotlivé modely byly pomocí přenosového formátu *.sat převedeny do výpočtového programu ANSYS. V tomto programu jsou vytvořeny vazby mezi jednotlivými prvky. Na základě předešlých výpočtů jsou použity vazby typu bonded, mezi čep a spodní díl pantu. Mezi horním dílem pantu a čepem je zvolena vazba No Separation, umožňující malé posuvy mezi čepem a pantem. Horní, resp. spodní díl pantu je umístěn na hranol který je pomocí vazby bonded připojen k dveřím resp. rámu trezoru Okrajové podmínky Výpočet je proveden na základě reálných zatěžovacích podmínek. Pohyb trezoru je zamezen použitím vazby fixed support aplikované na spodní plochu trezoru. Pomocí materiálových vlastností je docíleno hmotnosti dveří 330kg. Dále je nastavena akcelerace odpovídající tíhovému zrychlení v gravitačním poli Země. Důležitými faktory, které byly při výpočtech sledovány jsou redukované napětí na čepu a především deformace. Výsledné posuvy dveří nesmějí překročit povolenou hodnotu 1mm, aby nedošlo ke kontaktu mezi rámem a dveřmi trezoru a následným možným komplikacím při zavírání dveří Výsledky počítačové simulace Na obr. 11 je zobrazeno namáhání čepu, kde je zřejmé maximální napětí na čele čepu. Detail na obr. 12 zobrazuje rozložení napětí po čele čepu, kde je viditelná

21 Hledání optimální polohy pantů nerovnoměrnost napětí. Tato nerovnoměrnost vzniká důsledkem deformací čepu a je také částečně ovlivněna nízkou hustotu polygonální sítě. V rovině výskytu smykového napětí je viditelné nižší napětí, ve srovnání s čelem čepu. Již z analytických výpočtů se dal tento jev předpokládat. S ohledem na mechanické vlastnosti materiálu je zřejmé, že smykové napětí představuje větší riziko. Jak je dále vidět na obr. 11, povrchové napětí po délce čepu je ve srovnání s napětím na čele čepu řádově poloviční. Toto také potvrzuje předpoklad, že není nutné podrobovat kontrole teflonová pouzdra. Obr. 11 Rozložení namáhání na čepu Z hlediska deformací je nutná kontrola maximálního posuvu dveří, z důvodu již zmíněné bezpečnostní mezery 1mm. Obr. 13 zobrazuje průběh deformací v celém tělese trezoru. Je možné s jistotou konstatovat, že deformace jsou v přijatelných mezích a nezpůsobují žádné další omezení. Dále na obr. 14 vidíme nerovnoměrné namáhání obou čepů. 26

22 Hledání optimální polohy pantů Obr. 12 Průběh napětí na čele čepu Obr. 13 Průběh deformace v celém trezoru 27

23 Hledání optimální polohy pantů Obr. 14 Namáhání čepů, vlevo spodní čep, vpravo horní čep Tab. 2 Závislost sledovaných veličin na poloze pantů Vzdálenost pantů od středové osy [mm] Napětí na čele čepu [MPa] Smykové napětí [MPa] Posuv dveří [x10-2 mm] , ,7 55 3, ,9 48 1, , , , ,8 53 1,44 Výsledky pro jednotlivé varianty jsou sestaveny do tab. 2. V tabulce je zvlášť uvedena hodnota napětí na čelech čepů a napětí ve smykové rovině. Dále je zde uvedena míra deformace, tedy maximální posuv dveří. Údaje z tabulky jsou vyneseny do grafu 2 a 3. 28

24 Hledání optimální polohy pantů Graf 2 Závislost polohy pantu na napětí Závislost polohy pantu na napětí Tlak na čele čepu [MPa] Vzdálenost pantů od středové osy [mm] Smykové napětí čepu [MPa] Napětí na čele Smykové napětí Graf 3 Závislost polohy pantu na posuvu dveří Závislost polohy pantů na deformaci dveří Maximální posuv dveří [x0,1mm] Vzdálenost pantů od středové osy [mm] 1.4 Zhodnocení výsledků Při porovnání analytických výpočtů s počítačovou simulací je možné pozorovat několik základních rozdílů. Nejvíce patrný rozdíl je v průběhu namáhání čepů. V grafu 1, ve kterém jsou uvedeny výsledky analytického výpočtu, je viditelný téměř lineární průběh reakční síly a také namáhání. Při srovnání tohoto grafu s grafem 2 zjistíme, že reálný průběh napětí vykazuje vysokou míru nelinearity. Tyto nelinearity jsou způsobeny především nerovnoměrným rozložením napětí na jednotlivé panty. Jak ukazuje obr.14, jsou čepy trezoru namáhány odlišným způsobem. Ve všech výpočtech je spodní pant namáhán vyšším napětím. Tato nerovnoměrnost je způsobena působištěm síly, které je u spodního pantu blíže k středové ose v porovnání s pantem horním

25 Hledání optimální polohy pantů Deformace nabývají podobného průběhu jako smykové napětí s malými rozdíly při určitých hodnotách, které nijak nevybočují z normálu. Je tedy možné stanovit závěr, že deformace je přímo úměrná napětí na čepu. Z hodnot počítačové simulace jednoznačně vyplývá, že smykové napětí a napětí na čele čepu je minimální při vzdálenosti 600mm od středové roviny dveří. Minimální hodnota deformace je pro panty vzdálené od středové osy 650mm. Na základě výsledků je možné stanovit jako optimální polohu 600mm od středové osy trezoru. Posuvy u všech vypočtených variant jsou v mezích povolené tolerance 1mm, tudíž směrodatnou hodnotou je pro nás v tomto případě smykové napětí. Je splněn předpoklad, že se zvyšující se vzdáleností pantů klesá deformace, maximální posuv dveří. Průběh napětí s rostoucí vzdáleností pantů od středové osy má nelineární charakter. Celkový průběh je způsoben nerovnoměrností rozložení zatížení, vysvětlující také jiné hodnoty výstupů oproti analytickému řešení. 1.5 Úprava konstrukce Součástí diplomové práce je provedení optimalizace konstrukce na základě výpočtových simulací. Vzhledem k faktu, že navržená konstrukce vyhovuje, bylo upuštěno od optimalizace. Následující část je věnována spíše k zamyšlení nad jinou možnou konstrukcí. Pro tento návrh jsou použity panty P-KOVO pouze s drobnými úpravami Centrální pant Jedna z uvažovaných možností je navrhnuta spíše z důvodu prozkoumání možností. Jedná se o konstrukci trezorových dveří s jedním nosným pantem umístěným ve středové rovině. Pro tuto konstrukci je použit shodný pant, pouze se změnou průměru čepu z původních 12mm na 30mm a s tím spojeným zesílením celého pantu. Současně byla změněna délka pantu, neboť čep 12-61mm je u této konstrukce nahrazen čepem mm. Výsledná konstrukce pantu je viditelná na obr. 15. Tato varianta byla opět podrobena výpočtovým simulacím pomocí software ANSYS Workbench 10 se shodnými vsupními parametry jako v předchozích výpočtech. Hmotnost dveří byla opět 330kg. Použité vazby jsou opět typu No Separation mezi čepem a horním pantem, ostatní vazby jsou typu bonded. Výsledky počítačové simulace Hlavním sledovaným údajem je opět maximální posuv dveří a napětí na čepu. Na obr. 16 jsou konkrétní výsledky počítačové simulace. Z těchto výsledků je patrné vysoké smykové napětí na čepu, které několikanásobně překračuje povolené smykové napětí τ=200 MPa materiálu použitého na výrobu čepů [4]. Další obr. 17 zobrazuje i průběh deformací, z kterého je patrný vysoký posuv v rohu dveří, nesplňující povolené meze 1mm. 30

26 Hledání optimální polohy pantů Horní díl pantu Spodní díl pantu Pomocné hranoly Obr. 15 Vzhled centrálního pantu včetně hranolů pro optimalizaci výpočtů Obr. 16 Průběh napětí na centrálním čepu 31

27 Hledání optimální polohy pantů Obr. 17 Průběh deformace u trezoru s centrálním pantem Okrajové panty Další uvažovaná varianta spočívá v umístění pantů do samého kraje dveří. Horní pant umístěný na rámu je otočen a otvor pro čep je zhotoven po celé délce z důvodu montáže a zasunutí čepu. Horní pant má nižší nosnou funkci, neboť se zde jedná pouze o rotační vazbu. Dochází zde ke kontaktu mezi pantem umístěným na dveřích a na rámu, neboť na rozdíl od konstrukce firmy P-KOVO zde mezi panty není žádná mezera. Spodní pant umístěný na dveřích je opět provrtán po celé délce, z důvodu montáže. Jediným nosným prvkem u tohoto návrhu je těleso pantu. Celková vzdálenost mezi panty je 1760mm. Konstrukce horního a spodního pantu je zobrazena na obr. 18. Model je podroben výpočtovým simulacím se shodnými vstupními parametry s předešlými výpočty. Rozdíl zde nastal pouze v použitých vazbách mezi prvky. Veškeré kontakty mezi čepy a panty jsou typu No Separation, shodné s vazbami použitými mezi dvojící dotýkajících se pantů. Panty jsou opět umístěny na hranoly, které jsou do rámu, resp. dveří uchyceny vazbou bonded. Výsledky počítačové simulace Výsledky napětí jsou viditelné na obr. 19, obr. 20 zobrazuje výsledné deformace. Z výsledků napětí je jednoznačné podstatně nižší napětí ve srovnání s nejvýhodnější variantou umístění pantů P-KOVO. Napětí zde vychází ve špičce cca 16MPa a v místě předpokládaného výskytu smykového napětí nepřesahuje 8MPa. Hlavní rozdíl oproti konstrukci firmy P-KOVO je v rozložení napětí u těchto pantů. Samotné čepy zde totiž nejsou hlavním nosným prvkem, nosnou funkci přebírají tělesa pantů. Toto vede k namáhání čepů čistým smykem, který je díky kontaktu mezi horním a 32

28 Hledání optimální polohy pantů spodním dílem pantu ještě výrazně redukován. Obr. 21 zobrazuje maximální napětí na tělese pantu. Toto napětí nepředstavuje žádné větší riziko. Z obrázku je zřejmé dosažení maxima v místě sražené hrany. Z hlediska konstrukce nic nebrání v odstranění tohoto sražení. V tomto případě šlo spíše o návrh co nejvíce vycházející z původní konstrukce firmy P-KOVO. Maximální deformace, tedy sledovaný posuv dveří, dosahuje hodnoty 7, mm, jak je vidět na obr. 20. Posunutí dveří splňuje požadovanou toleranci 1mm. Obr. 18 Konstrukční úprava okrajových pantů Obr. 19 Průběh napětí na čepu u trezoru s okrajovými panty 33

29 Hledání optimální polohy pantů Obr. 20 Průběh deformací celého trezoru s okrajovými panty Obr. 21 Výskyt napětí na upravených pantech 34

30 Hledání optimální polohy pantů 1.6 Porovnání konstrukcí Obě tyto konstrukce jsou srovnány s původním konstrukčním návrhem firmy P- KOVO Centrální pant Z výsledků výpočtových simulací je zřejmé, že návrh konstrukce s jedním pantem umístěným v centrální rovině je z hlediska namáhání a deformací zcela nepřijatelný. Napětí zde totiž několikanásobně překračuje hodnotu dovoleného smykového napětí. Tento návrh měl spíše ukázat jisté možnosti a zjistit možnou míru realizace. Jediná možnost použití těchto pantů je u malých trezorů nízkých bezpečnostních tříd, jejichž dveře dosahují podstatně nižší hmotnosti. Výhodou trezorů opatřených těmito panty by byl netradiční design Okrajové panty Varianta s okrajovými panty vychází v porovnání s panty konstrukce P-KOVO výrazně lépe s ohledem na namáhání čepů, deformace jsou téměř shodné. Hlavní nevýhoda tohoto návrhu spočívá v obtížnější montáži. Naopak výhoda tohoto návrhu vyplývá z rozložení napětí mezi čepy a samotná tělesa pantů. Z tohoto důvodu je základním požadavkem přesná montáž a vymezení vůlí. Vzhledem k výrobě svařováním je při montáži možné očekávat jisté potíže. Firmy zabývající se výrobou trezorů mají v této oblasti bohaté zkušenosti, tudíž nejsou očekávány žádné závažné komplikace. Na obr. 21 je viditelné zvýšené napětí, nepředstavující rizika. Snížení otlačení je možné zajistit další konstrukční úpravou. Je také možné očekávat mírné zvýšení síly potřebné k otevření dveří. Tento nárůst nepředstavuje výrazné omezení. Je tedy možné stanovit závěr, že toto konstrukční řešení vykazuje ve srovnání s variantou pantů navrženými firmou P-KOVO jisté výhody, zejména ve velikosti namáhání čepů

31 Návrh vlastní konstrukce pantů 2 NÁVRH VLASTNÍ KONSTRUKCE PANTŮ Jak již bylo zmíněno v úvodní části, rozlišují se dva základní typy konstrukce pantů trezorových dveří a sice panty vnitřní a panty vnější. Návrh vlastní konstrukce je zaměřen na tvorbu pantů odlišné konstrukce. Z tohoto důvodu se práce zabývá konstrukcí vnitřních pantů. 2.1 Vstupní parametry konstrukce V souladu se zadáním diplomové práce je volena hmotnost trezorových dveří cca 1000kg. S ohledem na hustotu betonové směsi 900kg/m 3 jsou navrženy celkové rozměry trezorových dveří. Trezor je umístěn v klimatizované místnosti se stálou teplotou 20 C, tudíž odpadá nutnost řešení tepelných dilatací. Vzhledem k hmotnosti dveří bylo přistoupeno k řešení zastavěného komorového trezoru. Tato konstrukce se používá v bankách například jako ochrana pro přístup k bezpečnostním schránkám apod. Uvažovaná hmotnost zámkového systému je 70kg. 2.2 Základní návrh Základním požadavkem konstrukčního návrhu je vytvoření samotných dveří dle zadaných parametrů. S přihlédnutím k hustotě betonové směsi a předpokládané hmotnosti plechů jsou navrženy dveře o šířce 2000mm a výšce 2200mm. Z tohoto důvodu bylo upuštěno od řešení trezoru jako samostatně stojícího skříňového trezoru. Trezorové dveře navržené pro účely této práce jsou svařeny z osmi plechů. Jedná se o plech čelní, kalenou vložku, postranní profily, plech uzavírající první stupeň a zadní kryt zámkového mechanismu. Krom zadního krytu se jedná o plechy o tloušťce 3mm. Krycí plech má tloušťku 2mm, neboť neplní již žádnou bezpečností funkci, pouze uzavírá dveře. Tento plech je přišroubován ozdobnými šrouby k ocelovým patkám. Toto řešení má opodstatnění při případném servisním zákroku v případě komplikací se zámkovým mechanismem, který je kompletně uložen v zadní části trezorových dveří. 2.3 Hledání středu rotace Základním konstrukčním požadavkem při návrhu pantů trezorových dveří je nalezení vhodného středu otáčení, tedy místa pro uložení čepů. Toto uložení musí umožnit bezproblémové a bezkolizní otevření dveří Definice problémů středu otáčení Všechny dnes vyráběné trezory jsou vybaveny bezpečnostními čepy, umístěnými po celém obvodu dveří. Tyto bezpečnostní čepy jsou konstruovány jako zasouvatelné, pouze čepy umístěné na vnitřní straně dveří jsou v některých případech montovány napevno. U konstrukce, kterou se zabývá tato práce, je nutné použít zajíždějící bezpečnostní čepy po celém obvodu. Návrh s vnitřním uspořádáním pantů nedovoluje posunutí středu otáčení do takové polohy, aby došlo k bezkoliznímu otevření dveří s pevnými bezpečnostními čepy umístěnými na vnitřní straně. 36

32 Návrh vlastní konstrukce pantů Postup hledání středu otáčení Základním předpokladem pro hledání středu otáčení je znalost rozměrů dveří, rozhodující je šířka dveří a velikost jednotlivých stupňů, schématicky znázorněno na obr Druhý stupeň se zámkovým systémem První stupeň s betonovou výplní Obr. 22 Schéma dveří Na základě znalostí těchto rozměrů byl vytvořen model v programu Autodesk Inventor 11. Dále v tomto případě došlo k vytvoření roviny procházející trezorem, tak aby při následném náčrtu vytvořeném v této rovině vznikl profil viditelný na obr. 23. Následuje vytvoření bodu pomocí příkazu bod, střed díry. Tento bod slouží jako střed pro vytvoření kružnic, které jsou spojeny s okrajovými body dveří, u kterých očekáváme možnou kolizi při otevírání dveří. Tyto kružnice znázorňují trajektorie pohybů jednotlivých bodů. Změnou polohy středu kružnic, se hledá střed otáčení, kde později bude uložen čep. Vše znázorňuje obr. 23. U bodů na vnější straně není nutná přísná kontrola, neboť pro kolizní stav by musel být čep umístěn v extrémní pozici. Naopak je nutné věnovat pozornost trajektoriím bodů, ležících na vnitřní straně. Pro porovnání je možné prohlédnout obr. 23 a 24, přičemž obr. 23 zobrazuje stav vyhovující a na druhém obrázku je stav kolizní. rám střed otáčení dveře Obr. 23 Hledání středu otáčení vyhovující stav Po předběžném nalezení středu křivosti, který nezpůsobuje viditelné kolize, následuje přesné doladění. Upřesnění polohy osy otáčení probíhá v režimu sestavy, opět pomocí software Inventor 11. Pro tyto účely je vymodelován předběžný model trezoru s panty a rám. V případě této konstrukce je první návrh pantu zobrazen na obr

33 Návrh vlastní konstrukce pantů Mezi čelní stěnou rámu a dveřmi je vytvořena vazba pomocí úhlu. Díky této vazbě, pomocí příkazu řídit vazbu, je možné spustit simulaci otevírání dveří. Volitelnou součástí této simulace je vyhledávání kolizí. Pomocí této funkce došlo k nalezení přesné pozice pro uložení čepů pantů. U zde probíraného návrhu nastala kolize na boční stěně prvního stupně. Pokud dojde ke kolizi na této ploše, je metoda posouvání středu rotace neúčinná. rám kolize Obr. 24 Hledání středu otáčení nevyhovující stav dveře Následně byla poloha upravena pro získání vzdálenosti v celých číslech. Tato změna proběhla pouze směrem ode dveří s následnou kontrolou pomocí funkce vyhledávání kolizí. Obr. 25 První návrh pro přesné doladění středu otáčení 2.4 Návrh pantů Po nalezení optimální polohy umístění čepů došlo k postupné optimalizaci konečného vzhledu pantů. Bylo nutné vyřešit tvar samotného ramene pantu i uložení v rámu trezoru s ohledem na následnou montáž. 38

34 Návrh vlastní konstrukce pantů Návrh ramene pantu Prvním krokem bylo nalezení výsledného tvaru ramene pantu. Rameno na obr. 25 sloužilo pouze pro přesné doladění umístění čepů. Pro samotnou konstrukci bylo nevhodné z důvodu malého úhlu otevření dveří a nevhodného umístění ramene na dveřích. Z důvodu snadnější montáže došlo ke změně konstrukce ramene pantu. Rameno je navařeno na kalenou desku umístěnou v přední části. Z tohoto důvodu je nutné, aby pant neprotínal zadní kryt. Upravená varianta viditelná na obr. 26 prochází pouze krajem krycího plechu. Konstrukční úprava umožňuje i snazší montáž, neboť rameno stačí dorazit k bočnímu plechu. Současně tato varianta poskytuje i větší možnost otevření dveří až do úhlu 88 a následně byla použita pro většinu výpočtů Obr. 26 Varianta s oblými panty Po dalších konzultacích došlo k vypracování dalšího návrhu, neboť úhel otevření dveří byl stále nedostatečný. Z důvodu bezproblémové přístupnosti do trezoru je požadován úhel otevření minimálně 90. Tento požadavek vedl k vytvoření finální varianty ramene viditelné na obr. 27, umožňující úhel otevření 98. Varianta předchozí byla navržena zejména s ohledem na snadnou výrobu, vyšší tuhost a nižší koncentrace napětí. Vzhledem ke kusové výrobě se ramena pantů vyrábějí vypálením z plechu tloušťky 100mm, případně kováním. Z důvodu vyšší tuhosti je přednostní výroba kováním Návrh uložení v rámu S ohledem na konstrukci ramene pantu je patřičným způsobem upraven i rám celého trezoru. V návrhu konstrukce je počítáno i s možností nasazení dveří do rámu

35 Návrh vlastní konstrukce pantů Rám je svařen ze čtyř dílčích plechů, následně jsou do jedné strany vyřezány otvory pro umístění pantů. Zmíněný postup je nutný pro minimalizaci deformací a blíže je popsán v montážním postupu. Uložení pantů je z důvodu zvýšení tuhosti a vzhledem k technologickým možnostem zhotoveno ze dvou plechu, které jsou spojeny obvodovým svarem. Vzhledem k zatížení, které působí na závěsy, bylo nutné použít oba plechy o tloušťce 10mm. Vrchní díl je dále profilován pro zajištění dostatečného prostoru umožňujícího nasazení dveří na čepy. Z důvodu úspory místa, potřebného pro zástavbu rámu, uložení pantů kopíruje tvar ramen pantů. Tato konstrukce také zvyšuje bezpečnost a tuhost celé sestavy. Výsledný svařenec je viditelný na obr. 28. Obr. 27 Finální verze ramen pantů Jak je popsáno v montážním postupu, jsou plechy přivařeny jednotlivě. Pro zvýšení tuhosti konstrukce kopírují vnitřní hrany co nejpřesněji profil rámu, jak je zobrazeno na obr. 28. Pro zajištění dostatečné přesnosti celku je kladen vysoký požadavek na přesnost jednotlivých dílů. V praxi je najčastěji použito řezání profilů dílčích plechů laserovým paprskem. 40

36 Návrh vlastní konstrukce pantů Obr. 28 Uložení pantů v rámu 2.5 Výpočtové simulace Pro ověření navržené konstrukce proběhlo několik ověřovacích výpočtů. Základem výpočtů je nalezení optimálních rozměrů čepů v pantech. Dále je proveden návrh a výpočet uložení čepů. Na závěr jsou provedeny celkové pevnostní výpočty ověřující tuhost celé konstrukce Výpočet optimálního rozměru čepu Tento výpočet byl proveden na modelovém trezoru skříňové konstrukce. Zvolený postup vedl k minimalizaci okolních vlivů a umožňoval lokální zvýšení hustoty polygonální sítě v okolí čepu. Předběžně je navržen optimální čep mm. Při tomto návrhu se vycházelo z porovnání zatížení s předchozími variantami. Vzhledem k délce čepu bylo rameno pantu zhotoveno z plechu o tloušťce 150mm. Návrh byl podroben kontrolním výpočtům v systému ANSYS Workbench 10. Trezor byl zatížen stejným způsobem jako v předchozích variantách, přičemž bylo definováno gravitační zrychlení a hmotnost dveří. Hmotnost dveří zde uvažovaná je 1000kg ke které je připočteno 150kg nepředvídatelného zatížení. Pro simulaci reálného stavu jsou vytvořeny vazby typu bonded mezi čepem a rámem, vazby No Separation v místě kontaktu čepu s ramenem pantu. Hmotnost dveří je rozložena na čep i plochu samotného pantu. V případě potřeby je možné tento povrch ošetřit kluzným materiálem pro snížení síly potřebné pro otevření dveří. Výsledky ukázaly nízké smykové napětí dosahující maxima 20MPa, přičemž maximální povolené smykové napětí pro ocel , použité na výrobu čepů, dosahuje hodnoty 200MPa [4]. Po zhodnocení průběhu napětí v celém trezoru byla upravena tloušťka ramen pantů z původních 150mm na 100mm, za účelem snížení hmotnosti, výrobní náročnosti a snížení ceny trezoru. Z důvodu snížení tloušťky ramene bylo nutné změnit čep z původního mm na mm. Sestava byla opět podrobena výpočtům, ze kterých bylo patrné snížení napětí ve smykové rovině na pouhých 15MPa. Na základě těchto zjištění byl čep následně upraven na konečných mm a podroben ověřovacím výpočtům. Čep je zvolen jako normalizovaná součást dle

37 Návrh vlastní konstrukce pantů ČSN [4]. Výsledky těchto výpočtů jsou viditelné na obr. 29, napětí dosáhlo maximální hodnoty 44MPa u horního pantu, spodní pant je namáhán téměř identickým napětím. Zde se ukazuje jistá odlišnost, neboť u pantů P-KOVO byl spodní pant namáhán podstatně větším napětím. Na obr. 30 jsou uvedeny celkové deformace trezoru, kde se opět sleduje maximální posunutí dveří. Maximální deformace zde dosahují 0,634mm. Tato hodnota je v zadané toleranci 1mm. S ohledem na výsledky namáhání a deformací je pro další použití zvolen čep mm ČSN [4] Návrh a výpočet uložení Po zjištění optimální varianty čepů následovalo vymodelování trezoru do reálné podoby, tedy sestava dveří a rámu pro komorový trezor. Na této variantě byla kompletně doladěna konstrukce uložení pantů. Postup výpočtů, který je zde uveden, má své opodstatnění z důvodu zastavěné konstrukce rámu. Konstrukce rámu pro komorové trezory získává dostatečnou tuhost až po zástavbě do zdi a zabetonování. V případě navrhování uložení pantů bylo použito vazeb displacement k zamezení pohybů všech částí rámu. Tyto vazby simulují reálnou konstrukci. Konstrukce skříňového trezoru byla použita pouze pro výpočty čepů z důvodu vyvíjecí se konstrukce a zjednodušení prvků. Současně bylo umožněno použití jemnější sítě v místě kontaktu. Obr. 29 Smykové napětí na čepu 42

38 Návrh vlastní konstrukce pantů Obr. 30 Průběh deformací trezoru Na reálné konstrukci jsou provedeny optimalizační výpočty uložení čepů. Uložení čepů je složeno z celku viditelného na obr. 28 a vložky. Vložka je sestavena z pouzdra čepu, které je přivařeno do otvoru v plechu na obr. 28, a čepu. Pouzdro čepu bylo nejdříve navrženo pouze jako válec s otvorem pro čep. Jak je již uvedeno výše, u této konstrukce je tíha dveří rozložena na čep a rameno pantu, které je v kontaktu s pouzdrem. Na základě předběžných výpočtů bylo zjištěno vysoké napětí v místě kontaktu ramene pantu a pouzdra. Z tohoto důvodu došlo ke konstrukční úpravě pouzdra, které bylo opatřeno osazením. Osazení současně zpřesňuje a usnadňuje montáž, celá sestava je viditelná na obr. 31. Čep Pouzdro Obr. 31 Uložení čepu 43

39 Návrh vlastní konstrukce pantů Následné výpočty dokázaly, že tato konstrukce více vyhovuje způsobu namáhání. Výsledky jsou znázorněny i na obr. 32. Z obrázku je patrné maximální napětí dosahující hodnoty 62,8MPa, dovolené napětí oceli použité pro výrobu svařované konstrukce je ( )MPa [4]. Celá konstrukce je dále zpevněna obvodovým svarem, tudíž reálné napětí bude nižší. Na dalším obrázku je pro srovnání napětí zobrazen horní i spodní pant. Obr. 33 dokládá téměř rovnoměrné rozložení napětí Výsledky návrhu Pro ověření celkové tuhosti konstrukce je proveden záverečný výpočet na modelu reálného trezoru. Vzhledem k omezenému počtu prvků daného dostupnou licencí software ANSYS Workbench 10, bylo nutné v průběhu výpočtu provádět jistá zjednodušení. Závěrečné výpočty byly použity zejména pro ověření nosnosti pantů. Dveře jsou nahrazeny jedním monoblokem, neboť použitím skutečných dveří by došlo k výraznému zatížení výpočtů a snížení přesnosti výsledků. Výsledky těchto výpočtů jsou uvedené na obr. 34, zobrazujícím průběh napětí. Tento snímek dokládá minimální napětí v ramenech pantů. Obr. 35 zobrazuje deformace a maximální posuvy dveří, které jsou v zadaných mezích. Z důvodu použití dveří v podobě monobloku je nutné ověření svarů, kterými jsou přivařena ramena pantů k dveřím. Ověření je provedeno analyticky a uvedeno v následujícím oddíle. Obr. 32 Průběh napětí v místě uložení čepů 44

40 Návrh vlastní konstrukce pantů Obr. 33 Porovnání namáhání horního a spodního uložení Obr. 34 Průběh napětí v celé sestavě trezoru 45

41 Návrh vlastní konstrukce pantů Obr. 35 Průběh deformací v celé sestavě trezoru 2.6 Analytické výpočty Z důvodu zjednodušení výpočtové simulace je nutné podrobit kontrole svary upevňující ramena pantů. Jediné zatížení je zde od vlastní hmotnosti dveří, která byla již určena ze skutečného modelu. Čistá hmotnost samotných dveří je 1051kg, plus 70kg zámkového mechanismu. Dále je připočteno 80kg z důvodu nečekané zátěže Definice stavu Vzhledem k rovnoměrnému rozložení namáhání uložení pantů je počítán pouze jeden pant zatížen poloviční hmotností dveří. Výpočet je proveden pro smykové napětí působící přímo v ose pantu i pro smykové napětí od ohybového momentu. Schéma zobrazující tuto situaci je viditelné na obr. 36. Jak je zřejmé z obr. 36, svar je vytvořen pouze podél jeho tří stěn. Z důvodu stísněného prostoru je svar po celém obvodu obtížně realizovatelný Vlastní výpočet Nejdříve je vypočteno dle vzorce (11) smykové napětí od síly působící přímo v ose pantu, dle obr. 37. Z tohoto výpočtu je viditelné velmi malé napětí. Následuje výpočet smykového napětí od momentu M. V tomto výpočtu je nutné určit J u dle vzorce (12) svarové skupiny, podle tabulky 9-1/472 [5]. Následně je podle vztahu (13) určen kvadratický moment J, schéma na obr. 38 [5] zobrazuje tuto situaci. Dále je proveden výpočet (14) smykového napětí od ohybového momentu k těžišti G. Pro zjištění smykového napětí je nutný výpočet (15) ramene, na kterém působí moment M přímo na svar, názorněji zobrazeno na obr. 39 [5]. Dále je již samotný výpočet 46

42 Návrh vlastní konstrukce pantů (16) smykového napětí od ohybového momentu působícího na svar. Součet smykových napětí (17) je použit pro výpočet bezpečnostního koeficientu svarů (18). Rameno pantu x Rám dveří y F T Obr. 36 Schématické zobrazení přivaření ramen pantů Smykové napětí v ose ramene pantu Obr. 37 Schéma působení síly v ose ramene pantu τ 1 τ 1 Kde: τ 1 [Pa] F T [N] h [m] b p [m] d p [m] F T 0, 707 h ( 2 b p + d p) 1, 973MPa - tečné smykové napětí; - zatěžovací síla; - výška svaru; - šířka ramene pantu; - výška ramene pantu; 6250N 0, 707 0, 008m ( m + 0.1m) 1, Pa (11) 47