VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN KONSTRUKCE A POHON VOZU PRO PRŮMYSLOVÉ PECE DESIGN AND DRIVING OF FURNACE VAGON BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR MARTIN MEDUNA Ing. FRANTIŠEK PROKEŠ BRNO 2007
Abstrakt, klíčová slova, bibliografická citace ABSTRAKT Cílem této bakalářské práce je provést pevnostní výpočet konstrukce a optimalizované konstrukce vozu pro průmyslové pece. Výpočet provedeme pomocí metody konečných prvků. Ukážeme některé způsoby pohonu vozu. Klíčová slova: výpočet konstrukce vozu, metoda konečných prvků, pohon vozu ABSTRACT The basic aim of this bachelor s thesis is to perform a rigidity calculation of the construction and optimised construction of an industrial furnace wagon. This calculation in performed with the aid of the Finite Element Method. Some kinds of wagon propulsion are shown here. Key words: calculation of the construction of furnace vagon, Finite Element Metod, wagon driving Bibliografická citace mé práce: MEDUNA, M. Konstrukce a pohon vozu pro průmyslové pece. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2006. XY s. Vedoucí bakalářské práce Ing. František Prokeš. 07
Čestné prohlášení E é hláš í ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že tuto bakalářskou práci Konstrukce a pohon vozu pro průmyslové pece jsem vypracoval a napsal samostatně, pod vedením vedoucího bakalářské práce Ing. Františka Prokeše a uvedl v seznamu všechny zdroje. Martin Meduna V brně dne 18. května 2007 09
OBSAH OBSAH OBSAH 11 ÚVOD 12 1 METODA KONEČNÝCH PRVKŮ 13 1.1 Seznámení s MKP 13 1.2 Smysl a cíl nasazení výpočtů do AIP 13 1.3 Postup výpočtu 14 1.4 Potřebné znalosti pro užívání ANSYSU v AIP 14 2 PEVNOSTNÍ VÝPOČET VOZU 15 2.1 Analýza zadaného vozu 15 2.1.1 Úvod 15 2.1.2 Geometrie a síť 15 2.1.3 Data materiálu 16 2.1.4 Zatížení a vazby 16 2.1.5 Výsledky 17 2.2 Analýza optimalizované konstrukce vozu 20 2.2.1 Geometrie a síť 20 2.2.2 Zatížení a vazby 20 2.2.3 Výsledky 20 3 VARIANTY POHONU VOZU 23 3.1 Ruční pohon 23 3.2 Elektrický pohon 23 3.2.1 Pohánění pomocí hřídele 23 3.2.2 Pohánění pomocí řetězu 23 4 ZÁVĚR 24 5 LITERATURA 25 6 SEZNAM OBRÁZKŮ 26 7 SEZNAM TABULEK 27 8 SEZNAM PŘÍLOH 28 11
ÚVOD E ÚVOD Tato bakalářská práce se zabývá pevnostním výpočtem a konstrukcí vozu pro průmyslové pece. Nejprve provedeme výpočet pro zadanou konstrukci vozu a poté, dle výsledků, navrhneme optimalizaci vozu a opět provedeme výpočet. Tento výpočet je proveden pro vůz pro vozokomorovou pec, o hmotnosti vsázky pět tun. Vozokomorové pece se využívají pro různé druhy tepelného zpracování, při maximálních teplotách do 1260 C. Výhodou těchto pecí je robustní konstrukce určená do těžkých provozů. Rovnoměrné rozložení teplot zajišťuje vytápění ze čtyř stran. Vsázka se zakládá na vůz, který zajíždí do pece. Jeho konstrukce je svařena z profilů a plechů a je izolován šamotovými cihlami. Pevnostní výpočet provedeme pomocí Metody konečných prvků ( MKP ). Vůz namodelujeme v programu Autodesk Inventor Professional 10. Na tomto modelu pak provedeme pevnostní analýzu. Autodesk Inventor Professional 10 ( AIP ) obsahuje výpočetní program ANSYS, umožňující provádět strukturální analýzy jednotlivých navrhovaných součástí. Obr. 1 Vozokomorová pec VKT V další části práce se budeme zabývat různými variantami pohonu vozu. 12
METODA KONEČNÝCH PRVKŮ 1 METODA KONEČNÝCH PRVKŮ 1 1.1 Seznámení s MKP Metoda konečných prvků ( anglicky FEM = Finite Element Metod ) je založena na numerickém řešení diferenciálních rovnic. Tyto rovnice popisují odezvu modelu nahrazeného konečným počtem tzv. prvků ( elementů ). Původní oblast tělesa rozdělená na prvky se jmenuje sít' konečných prvků. Výběr počtu prvků a způsobu dělení je nutné provést tak, aby se docílilo dostatečně přesného výsledku. Při jemnějším dělení ( větší počet prvků ) dostaneme přesnější výsledky, ale zároveň vzrůstá náročnost úlohy na výpočtový čas a hardware. V místech kde se předpokládá větší koncentrace napětí ( vruby, přechody, atd. ) je lepší použít jemnější dělení. Tuto část velmi často řeší programy automaticky. Výsledkem výpočtu je zjištění napětí a stavu deformace součásti, ze kterého můžeme určit míru bezpečnosti a můžeme tak posoudit životnost, únavu a stanovit pravděpodobnost havárie součásti. V technické praxi se ukázalo, že MKP je velmi užitečná při řešení úloh mechaniky poddajných těles. Nasazení MKP v technické praxi souvisí s rozvojem výpočetní techniky. Ze začátku se její praktické nasazení týkalo především náročných a drahých projektů v letectví, kosmonautice, automobilového průmyslu a ve stavebnictví. V průběhu poslední třetiny dvacátého století se objevují první MKP softwary které využívají obdobného grafického prostředí jako CAD systémy a tím ulehčují práci se softwarem. Tím se MKP stala téměř monopolním prostředkem numerické analýzy mechanických soustav poddajných těles a nachází stále širší uplatnění ve všech oblastech výzkumu a vývoje. Je zařazena v řadě inženýrských programovaných prostředků, ať už v čistě analytických aplikacích ( např. ADINA, ANSYS, ABAQUS ), nebo ve specializovaných programech určených na různé konkrétní technické problémy simulace havárií nebo technologických procesů ( např. Pam- Crash, Pam-Stamp ) a konečně i v CAD systémech pro rychlé návrhové výpočty. Změnu spolupráce konstruktéra a výpočtáře přináší vznik 3D CAD systémů. Geometrický model vytvořený konstruktérem je možné rovnou použít pro výpočet. 1.2 Smysl a cíl nasazení výpočtů do AIP S rostoucím výkonem počítačů se řešení inženýrských problému přesouvá na PC. Klasický model nasazení má podstatnou nevýhodu: konstruktér musí čekat na výsledek prováděný na specializovaném pracovišti. Jde-li o výpočet skupin nebo celého systému, tak je to pochopitelné. Na této úrovni je okamžitá výpočetní podpora návrhu nereálná. Jako reálným řešením tohoto problému je integrace výpočetního prostředku do prostředí CAD systému. Tento integrovaný výpočetní nástroj musí byt jednoduchý, účinný a spolehlivý, aby jej konstruktér mohl bez větších problémů a obtíží obsluhovat. MKP je v současnosti jediná metoda, která odpovídá na otázku, jestli součástka vyhoví funkci, pro kterou je určena a to již ve fázi, když jí konstruktér navrhuje na svém pracovišti. Náš výpočetní prostředek integrovaný do AIP umožňuje zjistit stav deformace a napjatosti součástky vystavené zatížení, kterému poté bude vystavena ve skutečnosti. Na základě provedeného výpočtu můžeme rozhodnout o nejvhodnějším tvaru, materiálu a technologii výroby součásti. Provádění výpočtů součastně ve spolupráci s CAD geometrií umožňuje 1.1 1.2 13
METODA KONEČNÝCH PRVKŮ otevřít prostor pro pokročilé konstruování, na jehož konci je optimální návrh konstrukčního řešení. 2.3 Postup výpočtu Zadání, výpočet a vyhodnocení výsledků probíhá krok za krokem v dialogovém menu. Vybereme součást, kterou chceme počítat, přiřadíme jí materiálové charakteristiky ( vybereme materiálu z tabulky ), zadáme okrajové podmínky ( vyznačíme místo a způsob uchycení součástky ), zvolíme charakter a směr zatížení a spustíme výpočet. Poté následuje vyhodnocení a zpracování výsledků. Závěrem je prohlédnutí výpočtové zprávy, kterou nám program vytvoří, a zhodnocení výsledků výpočtu. 2.4 Potřebné znalosti pro užívání ANSYSU v AIP Výpočet nepředpokládá žádné znalosti o metodě konečných prvků a ani jejího použití. Celý výpočet a postup práce je algoritmizován a uživatel je veden pomocí menu. Podstata výpočtu spočívá ve správném uvolnění tělesa, stejně jako u klasických výpočtů technické mechaniky. Vytvoření sítě konečných prvků, spočívá ve vyplnění objemu modelu tělesa prvky a probíhá automaticky. Hustotu sítě podřídí instalovaný algoritmus tvaru a složitosti geometrie tělesa. Síť si samozřejmě můžeme zobrazit a prohlédnout. Menu také nabízí možnost zjemnit nebo zředit síť a uživatel může posoudit vliv tohoto parametru na přesnost výpočtu. Pojem výpočtu se tak zužuje pouze na jeho spuštění. Jestliže se chce uživatel detailně seznámit s výpočetním nástrojem a použitou technologií v AIP, může se obrátit na firmu SVS FEM, s.r.o., která zastupuje ANSYS v České Republice. Integrovaný výpočetní program je určen pro výpočty v oblasti lineární statiky a dynamiky. Pokud se uživatel během výpočtu nedostane mimo lineární oblast, tak se vznik problému nepřepokládá. Pro nelineární výpočty je potřeba jiná kategorie programů ANSYS a také znalost MKP a mechaniky. 14
PEVNOSTNÍ VÝPOČET VOZU 2 PEVNOSTNÍ VÝPOČET VOZU 2 Výpočet byl proveden pomocí výpočtového programu ANSYS integrovaného v AIP, jak je uvedeno v úvodu. 2.1 Analýza výpočtu zadaného vozu 2.1 2.1.1 Úvod Autodesk Inventor Professional Analýza napětí byl použit k simulování chování mechanické součásti při konstrukčním zatížení. Technologie ANSYS vygenerovala výsledky uvedené v této zprávě. 2.1.1 Další informace o pevnostní analýze AIP a produktech ANSYS pro program Autodesk Inventor jsou k dispozici zde http://www.ansys.com/autodesk. 2.1.2 Geometrie a síť Nastavení přesnosti uvedené níže určuje podrobnost sítě použité v analýze. Pro referenci: Nastavením hodnoty -100 vytvoří hrubou síť a získá rychlá řešení a ne zcela přesné výsledky. Nastavením hodnoty +100 vytvoří jemnou síť, což znamená delší dobu řešení a daleko větší přesnost výsledků. Výchozí nastavení přesnosti je nula. 2.1.2 Tab. 1 Statistika 1308 mm Kóty ohraničujícího kvádru 110 mm 4038 mm Hmotnost součásti 530,4 kg Objem součásti 6,757e+007 mm 3 Nastavení přesnosti sítě 100 Uzly 44057 Prvky 25011 Kóty ohraničujícího kvádru představují délky v globálních směrech X, Y a Z. 15
PEVNOSTNÍ VÝPOČET VOZU 2.1.3 Data materiálu Na tuto analýzu se vztahují následující předpoklady chování: Lineární - tlak je přímo úměrný napětí. Konstantní - všechny vlastnosti nezávislé na teplotě. Homogenní - vlastnosti se nemění v rámci objemu součásti. Isotropní - vlastnosti materiálu jsou identické ve všech směrech. Tab. 2 0cel Youngův modul 2,1e+005 MPa Poissonova konstanta 0,3 Hustota 7,85e-006 kg/mm³ Mez v kluzu Mez pevnosti v tahu 207, MPa 345, MPa 2.1.4 Zatížení a vazby Následující zatížení a vazby působí na konkrétní oblasti součásti. Oblasti definované výběrem povrchů, válců, hran a vrcholů. Tab. 3 Definice zatížení a vazeb Název Síla 1 Typ Povrch síla Velikost 5,5e+004 N Vektor -2,538e-028 N 5,5e+004 N Pevná vazba 2 Povrch pevná vazba 0, mm 4,541e-028 N 0, mm 0, mm 0, mm Ideální vazba 3 Povrch ideální vazba - - 16
PEVNOSTNÍ VÝPOČET VOZU Obr. 2-2 Definice zatížení a vazeb Tab. 4 Reakce vazeb Název Síla Vektor Moment Vektor momentu 3,443e-006 N 4,421e+005 N mm Pevná vazba 2 2,777e+004 N -2,777e+004 N 5,452e+005 N mm 8,162e-002 N mm -1,378e-004 N 3,19e+005 N mm -1,667e-012 N -1,219e+005 N mm Ideální vazba 3 2,723e+004 N -2,723e+004 N 8,115e+005 N mm 7,466e-012 N mm 0, N 8,023e+005 N mm Poznámka: Data vektoru odpovídají globálním součástem X, Y a Z. 2.1.5 Výsledky V následující tabulce jsou uvedeny všechny strukturované výsledky vygenerované analýzou. Následující část obsahuje obrázky s jednotlivými výsledky uvedenými nad povrchem součásti. 2.1.5 Byl vypočítán koeficient bezpečnosti pomocí teorie selhání maximálního ekvivalentního napětí pro ohebné materiály. Limit napětí byl zadán mezí v kluzu pro daný materiál. 17
PEVNOSTNÍ VÝPOČET VOZU E Tab. 5 Konstrukční výsledky Název Minimum Maximum Ekvivalentní napětí 1,438e-002 MPa 44,9 MPa Deformace 0, mm 0,2996 mm Koeficient bezpečnosti 4,61 - Obr. 2-3 Ekvivalentní napětí 18
PEVNOSTNÍ VÝPOČET VOZU Obr. 2-4 Deformace Obr. 2-5 Koeficient bezpečnosti 19
PEVNOSTNÍ VÝPOČET VOZU 2.2 Analýza výpočtu optimalizované konstrukce vozu Jak je z výše uvedených výsledků patrné, vůz je navržen s dostatečnou bezpečností. Proto jsem provedl změny, které umožňují zjednodušení konstrukce vozu. Optimalizaci jsem provedl tak, že jsem v modelu vozu vynechal příčné vzpěry ( viz příloha 3 ) a poté jsem opět nechal provést výpočet. Tato zpráva je oproti předchozí zprávě zkrácená, jelikož jsou některé části analýzy stejné, jako v předešlé, a proto budou vynechány. 2.2.1 Geometrie a síť Tab. 6 Statistika 1308 mm Kóty ohraničujícího kvádru 110, mm 4038 mm Hmotnost součásti 482,9 kg Objem součásti 6,152e+007 mm³ Nastavení přesnosti sítě 100 Uzly 33809 Prvky 18465 2.2.2 Zatížení a vazby Tab. 7 Reakce vazeb Název Síla Vektor Moment Vektor momentu 8,03e-005 N 4,346e+005 N mm Pevná vazba 2 2,776e+004 N -2,776e+004 N 7,446e+005 N mm 0,1651 N mm 4,296e-004 N 6,046e+005 N mm -1,668e-012 N -2,736e+004 N mm Ideální vazba 3 2,724e+004 N -2,724e+004 N 2,443e+005 N mm 1,676e-012 N mm 0, N 2,428e+005 N mm 2.2.3 Výsledky Tab. 8 Konstrukční výsledky Název Minimum Maximum Ekvivalentní napětí 1,859e-002 MPa 50,37 MPa Deformace 0, mm 0,3816 mm Koeficient bezpečnosti 4,11-20
PEVNOSTNÍ VÝPOČET VOZU Obr. 2-6 Ekvivalentní napětí Obr. 2-7 Deformace 19 21
PEVNOSTNÍ VÝPOČET VOZU Obr. 2-8 Koeficient bezpečnosti Po provedení pevnostní analýzy optimalizované konstrukce vozu jsme zjistili, že vůz vydrží dané zatížení i po provedení uvedené optimalizace. 22 20
VARIANTY POHONU VOZU 3 VARIANTY POHONU VOZU Podstatnou částí pece je vůz, který slouží k zavážení vsázky do pece. Vůz se pohybuje po kolejové dráze a můžeme být poháněn různými způsoby. Některé způsoby pohonu vozu si následně ukážeme. 3.1 Ruční pohon Ruční pohon představuje nejjednodušší ovládání vozu. Je určen pro nejméně náročné uživatelé. Vůz je do pece zatlačován a vytlačován pomocí odnímatelné tyče. Výhodou tohoto pohonu je jednoduchá konstrukce vozu než u zařízení s elektrickým pohonem. 3 3.1 3.2 Elektrický pohon Elektrický pohon je zajišťován pomocí elektromotoru. Tato varianta pohonu zajišťuje plynulé zajíždění a vyjíždění vozu z pece. Výhodou elektrického pohonu je, že lze pomocí výpočetní techniky automatizovat a tím se zjednoduší ovládání zařízení a zmenší možnost chyby lidského faktoru. Může být více variant konstrukcí pohonu vozu s elektromotorem. Dále si ukážeme dva možné způsoby pohánění vozu pomocí elektromotoru. 3.2 3.2.1 Pohánění pomocí hřídele převodového motoru V této variantě je motor s převodovkou umístěn na rámu vozu ( viz příloha 2 ). S převodovkou je spojena hřídel, která pohání dvě kola. Zbylá kola nejsou nijak poháněna. 3.2.1 3.2.2 Pohánění pomocí řetězu U této varianty je motor umístěn na jednom konci vozové dráhy a druhém konci je umístěno napínací ozubené kolo. Na spodní straně vozu je přiděláno ozubené kolo. Převod zajišťuje nekonečný řetěz. Výhodou této varianty je snadná změna rychlosti vozu. Stačí vyměnit ozubené kolo, čímž změníme převodové číslo a rychlost vozu. Rychlost vozu můžeme také ovládat nastavením různých otáček motoru. To ovšem zaleží, jestli jako pohon zvolíme motor s možností regulace otáček. 3.2.2 23
ZÁVĚR 4 ZÁVĚR Byl proveden pevnostní výpočet konstrukce vozu a také výpočet optimalizované konstrukce. Jak je z výše uvedených výsledků patrno, tak konstrukce vyhovuje pro obě varianty. Ovšem musíme brát v úvahu, že výpočet je proveden pro ideální zatížení. To znamená rovnoměrné rozložení po celé ploše vozu. Také musíme brát na zřetel, že výpočet byl proveden pouze pomocí metody konečných prvků. Tyto výsledky nejsou úplně přesné, proto by bylo v praxi třeba výsledky ověřit analytickým výpočtem a poté oba výsledky porovnat. Tyto výsledky nikdy nebudou úplně přesné, ale na druhou stranu by se neměli výrazně lišit. Navrhovanou variantou konstrukce vozu se ušetří materiál na výrobu vozu a zjednoduší se konstrukce vozu. Tuto práci lze považovat za první fází pro komplexní pevnostní výpočet konstrukce vozu. Výpočet této práce je proveden na zjednodušené konstrukci vozu, jelikož výpočtový program ANSYS, instalovaný v programu Autodesk Inventor Professional 10, nedokáže provést výpočet na svařované konstrukci. Tudíž jsem konstrukci namodeloval jako jeden celek a svary nebyly uvažovány. Tím je samozřejmě ovlivněn výsledek výpočtu. Jenže na výpočet přesnějšího výsledku nemám v součastné době dostatečné znalosti. V další části byl proveden rozbor několika způsobů pohonu vozu. Varianta pohonu vozu pomocí hřídele převodového motoru je bezpečnější než varianta s řetězem, jelikož je motor s převodovkou přidělán ze spodu konstrukce a tudíž nemůže dojít ke kontaktu uživatele s rotujícími částmi. 24
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 5 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 5 [1] LEINVEBER, J. aj. Strojírenské tabulky. Upravené a doplněné vydání. Praha: Scientia, s.r.o., pedagogické nakladatelství, 1999. 985 s. ISBN 80-7183-164-6 [2] SVOBODA P.,BRANDEJS J.,PROKEŠ F. :Základy konstruování 2. vydání. Vysoké učení technické v Brně 2003 [3] INTERNET: www. cadforum.cz [4] INTERNET: www.lac.cz [5] INTERNET: www.adeon.cz/news/news3_2004web.pdf [5] INTERNET: mechanika.fsid.cvut.cz/sources_old/mmkp/node4.html - 7k 25
SEZNAM OBRÁZKŮ 6 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Vozokomorová pec VKT Obr. 2-2 Definice zatížení a vazeb Obr. 2-3 Ekvivalentní napětí Obr. 2-4 Deformace Obr. 2-5 Koeficient bezpečnosti Obr. 2-6 Ekvivalentní napětí Obr. 2-7 Deformace Obr. 2-8 Koeficient bezpečnosti 26
SEZNAM TABULEK 7 SEZNAM TABULEK 7 Tab. 1 Statistika Tab. 2 0cel Tab. 3 Definice zatížení a vazeb Tab. 4 Reakce vazeb Tab. 5 Konstrukční výsledky Tab. 6 Statistika Tab. 7 Reakce vazeb Tab. 8 Konstrukční výsledky 27
SEZNAM TABULEK E 8 SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1 RÁM VOZU VKT 7000/09 Příloha 2 VŮZ 7000/09 Příloha 3 UPRAVENÝ RÁM VOZU 7000/09 28