FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING ŠTÍPACÍ STROJ NA DŘEVO WOOD-SPLITTING MACHINE BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR VÍT SVOBODA doc. Ing. JIŘÍ MALÁŠEK, Ph.D. BRNO 2012

ABSTRAKT, KLÍČOVÁ SLOVA ABSTRAKT Mezi cíle bakalářské práce patří zpracovat krátkou rešerši o štípacích strojích obecně, porovnat konstrukční řešení, jednotlivé pohony a parametry těchto strojů. V další části už je kladen důraz na vlastní konstrukci stroje, což je další cíl práce. Nejprve je navržen rám, poté je na základě výpočtu navržen hydraulický obvod stroje a poslední část se zabývá kontrolními a doplňujícími výpočty dílčích prvků štípače. Součástí bakalářské práce je základní výkresová dokumentace vybraných částí štípacího stroje. KLÍČOVÁ SLOVA štípací stroj, vertikální štípačka dřeva, hydraulický obvod, svařovaná konstrukce, MKP ABSTRACT The objectives of the bachelor s thesis is to make a short research about the cutting machines in general, compare the design, individual drives and the parameters of these machines. The next part is the emphasis on the actual construction of the machine, which is another goal of the work. At first, the frame is designed, then the hydraulic circuit of machine is designed by calculating and the last part deals with control and supporting calculations splitter component elements. The basic drawings of selected components of the splitting machine are parts of the work. KEYWORDS splitting machine, vertical wood-splitter, hydraulic circuit, welding construction, FEM BRNO 2012

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE BIBLIOGRAFICKÁ CITACE SVOBODA, V. Štípací stroj na dřevo. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2012. 50 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Jiří Malášek, Ph.D.. BRNO 2012

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že tato práce je mým původním dílem, zpracoval jsem ji samostatně pod vedením doc. Ing. Jiřího Maláška, Ph.D. a s použitím literatury uvedené v seznamu. V Brně dne 25. května 2012..... Vít Svoboda BRNO 2012

PODĚKOVÁNÍ PODĚKOVÁNÍ Moje poděkování patří doc. Ing. Jiřímu Maláškovi, Ph.D za cenné připomínky a rady při vypracovávání mé bakalářské práce. Dále mým rodičům, kteří mě po celou dobu studia podporovali. BRNO 2012

OBSAH OBSAH Úvod...10 1 Charakteristika štípacích strojů...11 1.1 Přehled známých konstrukcí a pohonů stroje...11 1.1.1 Poloha štípaného polena...12 1.1.2 Štípací nástroj...14 1.1.3 Velikost štípací síly...15 1.1.4 Řízení hydraulického obvodu...15 1.1.5 Varianty pohonu...16 2 Vlastní koncepční návrh stroje...19 2.1 Základní parametry...19 2.2 Rám...20 2.2.1 Analytický výpočet rámu...21 2.2.2 Pevnostní analýza rámu...23 2.3 Hydraulický obvod a dílčí prvky stroje...26 2.3.1 Schéma hydraulického obvodu...27 2.3.2 Hydrogenerátor...28 2.3.3 Hydromotor...29 2.3.4 Rozvaděč...29 2.3.5 Tlakový ventil...30 2.3.6 Filtr...30 2.4 Pohonný agregát...31 2.5 Klín...31 3 Návrh a výpočet hlavních částí hydraulického převodu...32 3.1 Návrh hydromotoru...32 3.1.1 Kontrola zvoleného hydromotoru...32 3.2 Návrh hydrogenerátoru...33 3.2.1 Volba hydrogenerátoru...34 3.3 Volba motoru...35 3.3.1 Přepočet doby pracovního a zpětného zdvihu...35 3.3.2 Kontrola volby motoru...36 3.4 Hydraulická kapalina...38 4 Návrh a výpočet ostatních součástí hydraulického obvodu...39 4.1 Výpočet nádrže...39 4.2 Hadice a potrubí...40 4.3 Kontrola přenosu kroutícího momentu pohonu...40 BRNO 2012 8

OBSAH 4.4 Kontrola čepu klínu...41 Závěr...43 Seznam použitých zkratek a symbolů...47 Seznam příloh...50 BRNO 2012 9

ÚVOD ÚVOD Vytápění tuhými palivy zajišťuje, že štípací stroje jakékoli velikosti jsou v dnešní době hojně využívaným standartem pro relativně velkou část populace obzvláště pak v našich zeměpisných šířkách. K volbě tohoto tématu mě vedla právě zkušenost se štípačkami, protože naše rodina patří ke skupině, která vlastní kotel na dřevoplyn. Jsme vlastníky několika hektarů lesů, a proto je takřka nezbytné vlastnit štípací stroj jako levnou a efektivní možnost zpracování palivového dřeva. V této době, kdy si volím a následně zpracovávám svou bakalářskou práci došla situace do bodu, kdy jsme usoudili, že je neefektivní půjčovat si štípací stroj, navíc nevalné kvality. Je pro nás výhodnější postavit si tento stroj vlastní. Důvody, proč nekoupit štípačku od renomovaného výrobce s jistě prověřeným konstrukčním řešením a bezpečností na vysoké úrovni, je fakt, že tyto stroje jsou v profesionálním provedení na soukromé poměry velice drahé. Mezi další důvody patří jistota, že při stavbě můžeme využít vlastní zkušenosti při častém využívání stroje a přizpůsobit jej přesně našim podmínkám. Předpokládám tedy, že při návrhu tohoto stroje využiji konstrukční myšlenky právě pro náš záměr a zkonstruuji jednoduchý a plnohodnotný funkční stroj. Dalším prvkem, který ovlivnil volbu mé bakalářské práce je rozšířit si obzory v konstrukcích a pohonech štípacích strojů obecně, nových trendů a osvědčených řešení. Velkým plusem je pak konstrukční využití hydraulických obvodů a prvků, které jsou po celém světě hojně využívány a ponořit se hlouběji do problematiky návrhu právě hydraulického obvodu. Oblast štípacích strojů je na trhu široce zastoupena řadou osvědčených výrobců, kteří vytvářejí nepřeberné množství různých typů a řešení. Je těžké do zavedeného koloběhu vnést vlastní převratnou myšlenku konstrukce stroje, protože touto problematikou se zabývají renomované firmy s celou škálou konstruktérů a odborníků. Mým cílem je navrhnout stroj, který si od každého řešení vezme tu nejlepší možnost a vytvoří tak poloprofesionální stroj s nejvhodnějšími kompromisy řešení. BRNO 2012 10

CHARAKTERISTIKA ŠTÍPACÍCH STROJŮ 1 CHARAKTERISTIKA ŠTÍPACÍCH STROJŮ Štípací stroje na dřevo, také známé jako štípačky, jsou mechanické stroje zajišťující hrubé zpracování povětšinou palivového dřeva. Štípačky slouží ke štípání dřeva v podélném směru vláken tzv. po létech dřeva. Tyto stroje skýtají ve srovnání se sekerami mnoho výhod. Obsluha je snadná, hlavní pohyb vykonává pohon stroje namísto manuální práce člověka. Pracovní proces je rychlý a bezpečný, jelikož štípání je vyvoláno relativně statickou silou a rychlostí štípacího klínu, namísto dynamického účinku sekery. Tato síla je také násobně větší, než síla sekery. Mezi základní parametry udávající charakteristiku stroje patří maximální štípací síla, maximální velikost štípaného polena, příkon, dále pak hmotnost, rozměry a schopnost mobility. Zajímavostí u těchto strojů je, že nejdůležitější parametr a to maximální štípací síla (nebo někdy chybně uveden tlak) se udává v tunách. Je-li tedy v katalogu uvedena štípačka se štípací silou 10 t, pak po dosazení do rovnice (1.1) zjistíme, že síla tohoto stroje disponuje dle (1.2) velikostí 98 kn. F mg F N kn 3 10 10 9,81 98100 98 1.2 kde : F štípací síla N 2 ggravitační zrychlení ms m hmotnost charakterizující štípací sílu kg 1.1 1.1 PŘEHLED ZNÁMÝCH KONSTRUKCÍ A POHONŮ STROJE Štípací stroje lze dělit podle mnoha kritérií. Základní rozdělení těchto strojů se větví: 1) Dle polohy štípaného polena 2) Dle zvolené varianty pohonu 3) Dle štípacího nástroje 4) Dle velikosti maximální štípací síly 5) Dle řízení hydraulického obvodu BRNO 2012 11

CHARAKTERISTIKA ŠTÍPACÍCH STROJŮ 1.1.1 POLOHA ŠTÍPANÉHO POLENA Na základě tohoto kritéria se štípačky dělí na: VODOROVNÉ (HORIZONTÁLNÍ) Štípačky tohoto provedení se vyrábí většinou s menší štípací silou a to 1 až 6 t. Mají proto malou hmotnost a lehce se přepravují. Nevýhoda tohoto provedení spočívá v pracném ustavení polene na pracovním stole. Lehčí stroje jsou umístěné na rámu, kam musíme poleno ručně zvednout (obr. 1) a těžší na zemi, kam se musí poleno dovalit. Práce s tímto typem je obtížnější z důvodu neustálého ohýbání a zvedání břemene zády. Obr. 1 Horizontální štípačka LH 45 od firmy Woodstar [23] SVISLÉ (VERTIKÁLNÍ) Nejčastější a nejvýhodnější provedení. Vyrábí se s většími štípacími silami, a robustnějším rámem. Z hlediska obsluhy se jedná o zdařilejší řešení. Obsluha při práci stojí, a nemusí se ohýbat, navíc při valení polena na základní desku dochází k valení po čelní ploše a tím k lepší manipulaci i s rozměrnějším polenem (obr. 2). Nevýhoda je větší výška a tím manipulační a skladovací problémy. Řešení je položit jej a skladovat horizontálně. Štípací síly se pohybují zhruba v rozmezí 5 až 20 t. BRNO 2012 12

CHARAKTERISTIKA ŠTÍPACÍCH STROJŮ Obr. 2 Vertikální štípačka HL800 od firmy Scheppach [16] OSTATNÍ Mezi ostatní řadíme štípačky šikmé, jedná se spíše o ojedinělé provedení. Dále bych do této skupiny zařadil automatizovaná štípací centra (obr. 3) a velké profesionální stroje, kde je poloha štípaného dřeva různorodá. Jedná se o štípací stroje s velkou produktivitou přímo pro firmy zabývající se zpracováním palivového dřeva. Dokážou zpracovat polena s velkými rozměry. Stroje jsou automatizované, obsluhu může provádět jeden pracovník, jsou vybavené dopravníky a nastavitelným štípacím křížem. Jsou poháněny těžkými spalovacími nebo elektrickými motory. Obr. 3 Štípací automat TL 750 od firmy Pezzolato [14] BRNO 2012 13

CHARAKTERISTIKA ŠTÍPACÍCH STROJŮ 1.1.2 ŠTÍPACÍ NÁSTROJ Štípací nástroje lze rozdělit přibližně na dva druhy: ŠTÍPACÍ KLÍN Jedná se o nejčastější nástroj štípacích strojů. Klín je obvykle svařenec a může mít vkládané ostří z tvrdšího materiálu. Štípací klíny mohou být upevněny jak na rámu stroje, pak se pohybuje poleno s pracovní deskou a nebo je štípací klín připevněn na hydromotoru a vykonává pracovní pohyb on. Klíny jsou buď jednoduché, s jedním ostřím, kdy při průchodu polena vznikají dvě štípy (obr. 4) nebo s více ostří, kdy dělí poleno hned na 4 a více kusů (obr. 5). Tyto klíny patří zpravidla k volitelnému příslušenství. Obr. 4 Štípací klín Vega [20] Obr. 5 Štípací klín Hecht 680 [19] ŠTÍPACÍ TRN Dalším nástrojem využívaným u štípacích strojů je štípací trn, neboli kužel (obr. 6). Kužel je různě velký, vysoustružený z masivního materiálu, opatřený relativně velkým závitem. Konstrukce tohoto stroje je koncipována naprosto jiným způsobem, než je tomu u štípacích strojů s klínem. Dle nejjednodušší konstrukce se stroj skládá pouze z rámu, na kterém je umístěn elektromotor a z již zmíněného kužele, který je přímo nasazen na hřídeli z motoru pojištěném těsným perem. Funkce tohoto stroje tkví v tom, že poleno je tlačeno válcovou plochou kolmo na vlákna dřeva na kužel, jehož závit se zaryje do vláken a poleno rozštípne. Pohon se dá realizovat i kardanem (obr. 7) např.: od traktoru. Mezi výhody tohoto štípače patří bezkonkurenční jednoduchost, tím i lacinost a možnost svépomocí si vyrobit plnohodnotný štípač. Největší nevýhodou je bezesporu bezpečnost. Jelikož obsluha tlačí poleno proti rotujícímu kuželu, vystavuje se nebezpečí poranění o tento kužel. Z těchto důvodů je tento typ štípače vyráběn převážně domácími kutily. BRNO 2012 14

CHARAKTERISTIKA ŠTÍPACÍCH STROJŮ Obr. 6 Štípací kužely [21] Obr. 7 Rotační štípačka [15] 1.1.3 VELIKOST ŠTÍPACÍ SÍLY Jedná se o určující údaj u štípacích strojů. Podle tohoto parametru můžeme štípací stroje dělit na: a) Domácí do 8t b) Poloprofesionální 8 až 12t c) Profesionální od 12t 1.1.4 ŘÍZENÍ HYDRAULICKÉHO OBVODU Dělíme na: a) Mechanicky Jedná se o mechanické nebo ruční ovládání rozvaděče různými pákovými mechanismy. Toto řešení je vhodné pro neautomatizované stroje, protože je jednodušší a levnější. b) Elektricky Ovládání elektrickými spínači, časovači atd. Jde o složitější řešení z důvodu nutnosti rozvodu těchto elektrických zařízení. Využívá se u automatizovaných těžkých strojů a vyznačuje se vyšší produktivitou. Nutností je zde použití nejrůznějších bezpečnostních závor, aby nedošlo ke zranění obsluhy nebo poškození stroje. BRNO 2012 15

CHARAKTERISTIKA ŠTÍPACÍCH STROJŮ 1.1.5 VARIANTY POHONU ELEKTRICKÝ Elektrický pohon je u štípacích strojů nejčastější, jedná se o elektromotor povětšinou jednofázový, nebo třífázový asynchronní. Podle výkonu motoru se dělí napajení na 230 V / 50 Hz nebo 400 V / 50 Hz. Používají se motory o výkonu 1 až 7 kw. Tento motor pak pohání hydrogenerátor a tím hydraulický obvod. Nevýhoda je nutnost napájení ze sítě a více prvků v hydraulickém systému. Výhoda je menší hlučnost a nižší provozní náklady než např. při použití spalovacího motoru. Elektrický pohon je zřetelně vidět na obr. 1. Tento pohon je velmi oblíbený a využívá se u strojů s štípací sílou 1 až 25t. MANUÁLNÍ Manuální štípačky jsou většinou určeny pro malé rozměry polen pro domácí použití. Štípací síla je v tomto případě malá např. u štípačky Hecht na obr. 8 činí 1,5 t. Štípací sílu vyvozuje obsluha v tomto případě šlapacím mechanismem. Do této skupiny řadíme i štípačky na principu hydraulického heveru, který tlačí poleno proti štípacímu klínu umístěném na rámu stroje. Tyto štípačky disponují štípací silou až 10 t. Obr. 8 Manuální štípačka Hecht 6 [8] BRNO 2012 16

CHARAKTERISTIKA ŠTÍPACÍCH STROJŮ VÝVODOVÁ HŘÍDEL Další možností pohonu štípacích strojů je pohon vývodovou hřídelí přes kardan např.: od traktoru. Tento pohon je výhodný na místě kde nemáme napájení ze sítě. Nevýhodou jsou pomalé otáčky vývodového hřídele traktoru asi 540 min -1. Tato skutečnost poukazuje na nutnost použít převodovku kvůli zvýšení otáček, jinak bude rychlost pístu hydromotoru pomalá a z toho plynoucí nižší produktivita stroje. Výhoda je pak ve velkém výkonu spalovacího motoru traktoru, takže štípací síla může nabývat hodnot i přes 20 t. Tento pohon se používá u profesionálních štípaček a lze jej kombinovat s elektrickým motorem. POHON Z HYDRAULICKÉHO OKRUHU JINÉHO ZAŘÍZENÍ Tento pohon se vyznačuje jednoduchostí. Jedná se o způsob využití vnějšího hydraulického okruhu např.: traktoru, nebo hydraulické centrály. Štípač tedy obsahuje jen rám a hydromotor se štípacím klínem, který je přímo připojen k cizímu okruhu. Výhoda tohoto způsobu je, že není potřeba napájení ze sítě, samotný štípač je malý, jednoduchý a nepotřebuje žádné vedlejší hydraulické prvky. Štípací síla je přímo závislá na použitém agregátu, avšak u štípačky je uváděn maximální použitelný výkon agregátu. Typický představitel této skupiny je Balfor A12 V/500 (obr. 9). Lze jej kombinovat s ostatními pohony. Obr. 9 Balfor A12 V/500 [7] BRNO 2012 17

CHARAKTERISTIKA ŠTÍPACÍCH STROJŮ SPALOVACÍ MOTOR Spalovací motory se ve štípačích používají jak zážehové, tak vznětové. Zážehové motory se používají většinou ve štípacích strojích s kolovým podvozkem, a jsou určeny k použití mimo elektrickou síť, což je jejich největší výhoda. Nevýhodou je velký provozní hluk a velké rozměry spalovacího motoru. Vznětové motory naleznou použití u těžkých štípacích automatů (obr. 3). Stroje se zážehovým motorem dosáhnou bez problému 25 t štípací síly (obr. 10). Obr. 10 Benzínový štípač LS 550 od firmy MTD [12] BRNO 2012 18

VLASTNÍ KONCEPČNÍ NÁVRH STROJE 2 VLASTNÍ KONCEPČNÍ NÁVRH STROJE 2.1 ZÁKLADNÍ PARAMETRY Z hlediska vlastní konstrukce stroje vycházelo ze zadání několik základních parametrů. Na základě výše uvedené rešerše bylo třeba zvolit vhodný pohon a konstrukční řešení. Výhody i nevýhody těchto dvou skupin již byly popsány výše, a proto na základě porovnání konstrukčních variant volím vertikální uspořádání štípacího stroje. Výhody a důvody zvolení tohoto uspořádání jsou: méně náročnější obsluha, velká variabilita řešení rámu a v neposlední řadě moje osobní zkušenost v obsluze vertikálního i horizontálního štípacího stroje. Co se týče pohonu, zvolen byl elektromotor a to hned z několika důvodů. Pohon elektromotorem je jednoduchý, levný a dovoluje se pohybovat ve velkém rozsahu tlaků a štípacích sil. Dalším důvodem je, že v mém případě se bude štípačka používat doma na místě, kde je realizován rozvod elektrické energie. Mezi ostatní parametry uvedené v zadání patří také návrh stroje pro maximální vhodný rozměr štípaného dřeva. Jelikož se štípač bude používat ke zpracování palivového dřeva ze soukromých lesů k vlastnímu užití, můžeme říci, že průměr polene nebude dramaticky velký. Z vlastního průzkumu a zkušeností se maximální průměr pohybuje okolo 60 cm. Maximální délka štípaného polene byla zvolena na hranici 110 cm z úvahy, že domácí kotel na dřevoplyn má hloubku 60 cm a běžně se palivové dřevo chystá na rozměr 50 cm. Postup je tedy takový, že se dřevo zpracuje a nařeže na délku 1 m což je maximální vhodná manipulační a skladovací délka, poté se dřevo rozštípe štípačkou a uskladní. V případě potřeby se pak jen nařeže na kolébkové pile tzv. cirkulárce na konečný rozměr 50 cm. Štípačka by tedy měla být zkonstruována na rozměr 1 m avšak 10 cm si ponechám jako toleranci, čili konečná konstrukce je zvolena na rozměr 110 cm. Obr. 11 Lumag HE 14 [10] BRNO 2012 19

VLASTNÍ KONCEPČNÍ NÁVRH STROJE Jak už je zmíněno výše, určujícím popisem u štípacích strojů je štípací síla udávaná v tunách. Stroj má sloužit pouze pro domácí účely, ale vzhledem k vytápění jen palivovým dřevem je předpokládané jeho častější využití. Proto z osobní zkušenosti a z průzkumu trhu volím štípací sílu 140 kn (asi 14,3 t). Tato síla mimo další konstrukce zajistí, aby se stroj pohyboval na profesionální úrovni a poradí si i s většími poleny a během pracovního procesu se nezastaví. Jako částečný vzor pro moji konstrukci posloužil štípač od firmy Lumaq typ HE 14 (obr. 11). 2.2 RÁM Rám stroje (obr. 12) byl navrhován podle několika hledisek. Podle konstrukce, velké štípací síly a podmínek dle literatury [5] bylo jasné, že bude potřeba nádrž na hydraulickou kapalinu o relativně velkém objemu. Větší objem hydraulické kapaliny přispívá k lepšímu chlazení celého systému. Zalíbila se mi možnost integrovat nádrž do tzv. stojiny rámu. Tím odpadne nutnost vyhradit místo na externí nádrž a při tom stojina jako taková nebude nijak radikálně větší než rám z některých normalizovaných profilů. Další hledisko je to, že štípací stroj s vertikálním uspořádáním je relativně vysoký a tím roste jeho nepraktičnost při skladování a přepravě. Velkou část této výšky zabírá pístnice přímočarého hydromotoru. Podmínku jsem si tedy stanovil takovou, že bude možnost pístnici odmontovat a posunout dolů do rámu, kde se zajistí ovšem bez nutnosti odpojování hadic hydraulického systému či jakékoliv jiné části stroje (příloha SSND-BP-01-00/SP). K rámu jsou také přimontovány všechny důležité prvky a agregát stroje, proto musí obsahovat držáky těchto prvků. Rám je volen jako svařenec z normalizovaných polotovarů a profilů. Další prvky rámu tvoří konstrukce k umístění kol k přepravě a podstavovou desku, o kterou se opírá štípané poleno. V neposlední řadě tvoří rám držák elektrických prvků a držáky opíracích tyčí, o které se opírají štípy tak, aby nepadaly na zem a dobře se odebíraly. Obr. 12 Rám stroje BRNO 2012 20

VLASTNÍ KONCEPČNÍ NÁVRH STROJE 2.2.1 ANALYTICKÝ VÝPOČET RÁMU Základní koncepce rámu se skládá ze stojiny a hlavního držáku hydromotoru. Zjednodušený návrh se proto dá vypočíst analyticky (obr. 13) [1]. Vypočítám si tedy maximální průhyb v kritickém místě (obr. 14) tak, že si nahradím silové působení na rameni momentem. Kvadratické momenty nutné k výpočtu jsou na obr. 15. Obr. 13 Silové zatížení Obr. 14 Momentové zatížení M M Fb 3 3 140 10 230 10 32200Nm 1.4 1.3 kde : F štípací síla N b vzdálenost středu stojinykestředu hydromotoru m M zatěžovací moment Nm W c M W M M M M a M EJ M EJ EJ a a o o c dx dx 0 y 0 y y (1.5) BRNO 2012 21

VLASTNÍ KONCEPČNÍ NÁVRH STROJE kde : W energie napjatosti J M 0 ohybový moment Nm E modul pružnosti vtahu Pa J 4 y celkový kvadratický moment m a výška stojiny po uchycení hydromotoru m Obr. 15 Kvadratické momenty J J ydt ydt 3 th 12 3 3 3 1010 (25010 ) 12 12 4 13020833,33 10 1.7 m 1.6 kde : J kvadratický moment desky v těžišti m 4 ydt ttloušťka desky m h délka desky m BRNO 2012 22

VLASTNÍ KONCEPČNÍ NÁVRH STROJE S S d d th 3 3 2 10 10 250 10 0,0025m 1.9 1.8 kde : S průřez desky m 2 d J J d S J 2 yd ydt d yd 12 3 2 12 4 13020833,33 10 (85 10 ) 0,0025 31083333 10 m 2.1 2.0 kde : J kvadratický moment desky ke středu stojiny m 4 yd d vzdálenost středu stojiny k těžišti deskym J J J J y yd yst y 12 12 12 4 31083333 10 17 412300 10 48495633 10 2.3 m 2.2 kde : J celkový kvadratický moment m 4 y c M a 32 2001,57 EJ 21010 4849563310 y 6 12 4,964 mm (2.4) kde : c ohyb rámu mm Ohyb rámu v kritickém místě tedy vychází 4,964 mm. Kontrolu provedu pevnostní analýzou. 2.2.2 PEVNOSTNÍ ANALÝZA RÁMU Rám jako svařenec obsahuje mnoho součástí a svarů. Kontrolovat každý svar zvlášť by bylo složité, obzvláště v určování způsobu namáhání svaru. Proto jsem zvolil kontrolu pomocí metody konečných prvků (dále jen MKP). Vlastní MKP je numerická metoda zjišťující a simulující průběhy napětí a deformací. Její podstata tkví v rozdělení zkoumaného prvku (jeho fyzikálního modelu) na co nejmenší segmenty a u nich se jednotlivě zjistí napětí a deformace. MKP je používána především ke kontrole napětí a deformací a k nasimulování jejich kritických hodnot. Podstaty MKP jsou známy již řadu let, ale k jejímu rozmachu přispěly až moderní počítače. BRNO 2012 23

VLASTNÍ KONCEPČNÍ NÁVRH STROJE Rám byl vymodelován pomocí aplikace Autodesk Inventor Professional 2011. Program má MKP přímo integrovanou, a proto jsem využil tuto cestu simulace. Rámu byl udán materiál: ocel třídy 11 523, která se vyznačuje mezí kluzu o velikosti 333 MPa a mezí pevnosti 520 až 628 MPa [3]. Na obr. 16 je znázorněno působiště síly F o velikosti 140 000 N, která charakterizuje maximální odpor štípaného polena. Styk se základním tělesem (zemí) je realizován pomocí pevné vazby v místě spodní plochy podstavové desky a spodního průřezu stojiny. Součástí pevnostní analýzy je i hydromotor, který je zde použit pro přesné umístění zatížení a pro snadné určení maximální deformace. Obr. 16 Zatížení a napěťová charakteristika Obr. 17 Charakteristika deformace Rám byl rozdělen na 147 153 uzlů, a 78 433 prvků. Výsledek pevnostní analýzy je zřetelný z obr. 16. Kritické napětí je v místě horních žeber a činí 329,6 MPa. Jak je z obrázku patrné, toto napětí je pouze lokální. Uvažujeme-li použití štípače v cyklickém namáhání o větších periodách s největší hodnotou nepřesahující 140 kn, pak lze říci, že toto lokální maximum můžeme tolerovat a věnovat se namáhání stojiny a ostatních částí prvků. Po upravení měřítka charakteristiky napětí vyplývá z obr. 17, že v horní části, je nejvyšší napětí v této oblasti přibližně 210 MPa. Uvažujeme li bezpečnost vzhledem k meznímu stavu pružnosti, zjišťujeme, že součinitel bezpečnosti dle rovnice 2.2 vychází 1,6. Rám tedy můžeme považovat za bezpečný. BRNO 2012 24

VLASTNÍ KONCEPČNÍ NÁVRH STROJE Obr. 18 Detailní charakteristika napětí k k R e O max 33310 21010 6 6 1,59 1, 6 2.6 2.5 kde : k součinitel bezpečnosti vzhledem k meznímu stavu pružnosti R mez kluzu oceli třídy11 523 Pa e O max kritické ohybové napětí narámu Pa Další výsledek MKP analýzy je charakteristika deformace rámu. Z obr. 17 můžeme vidět, že největší posunutí se nachází na horním konci hydromotoru a jeho velikost je 6,4 mm. Uvažujeme-li jakou vytváří zatěžovací síla páku na hydromotor a jeho uchycení, můžeme říci, že posunutí v jednotkách milimetrů je zde možno tolerovat. Důležité je posunutí právě uchycení hydromotoru a horní části stojiny (obr. 18), které má hodnotu 2,9 až 3,6 mm, což jak už je zmiňováno výše, je tolerovatelná hodnota. V analytickém řešení vyšlo posunutí 4,96 mm, tato odchylka je způsobena zjednodušením rámu. V analytickém řešení nebyly brány do úvahy další prvky, např.: držák el. motoru, filtru a kol. Tyto prvky pochopitelně rám zpevňují a tím deformaci snižují. BRNO 2012 25

VLASTNÍ KONCEPČNÍ NÁVRH STROJE Obr. 20 Charakteristika součinitele bezpečnosti Obr. 19 Charakteristika součinitele bezpečnosti Poslední charakteristikou je součinitel bezpečnosti. Pro celkovou představu uvádím znázornění součinitele bezpečnosti na celém rámu (obr. 19) a detail horního uložení hydromotoru na obr. 20. 2.3 HYDRAULICKÝ OBVOD A DÍLČÍ PRVKY STROJE Volba hydraulických prvků a obvodu může probíhat dvěma způsoby. První je, že řada firem ať už tuzemských nebo zahraničních nabízí ve svém sortimentu hydraulické agregáty tzv. all-in-one. Jedná se v podstatě o kompletní hydraulický obvod s nádrží i pohonem v kompaktním provedení, na který se dimenzuje stroj, a tento agregát se k němu pouze zapojí. Druhá možnost, je vytvořit nový hydraulický obvod a jednotlivé prvky koupit zvlášť. Druhou možnost z uvedených jsem zvolil pro svůj návrh já hned z několika důvodů. Můj cíl byl vytvořit štípací stroj s kompletní základní výbavou na profesionální úrovni. Použití hydraulického agregátu by zde bylo jednodušší, ale při navrženém tlaku systému by byl potřeba hydraulický agregát větších rozměrů, a tím ztrácí svou kompaktnost. BRNO 2012 26

VLASTNÍ KONCEPČNÍ NÁVRH STROJE 2.3.1 SCHÉMA HYDRAULICKÉHO OBVODU Hydraulický obvod štípacího stroje byl navržen jako jednoduchý otevřený. Schéma tohoto obvodu je znázorněno na obr. 21 a legenda na obr. 21a až 21f. Jednotlivé prvky hydraulického obvodu se volí na základě výpočtu uvedeného v kapitole č. 3. Hydraulický obvod je sestaven za pomoci platného značení standartně používaného při znázornění hydraulických obvodů. Obr. 21 Hydraulický obvod štípacího stroje Obr. 21a Hydrogenerátor Obr. 21b Hydromotor Obr. 21c Filtr BRNO 2012 27

VLASTNÍ KONCEPČNÍ NÁVRH STROJE Obr. 21d Rozvaděč Obr. 21e Regulační ventil Obr. 21f Nádrž 2.3.2 HYDROGENERÁTOR Hydrogenerátor (tzv. čerpadlo) byl zvolen od firmy JIHOSTROJ [9] s typovým označením T3-8. Jedná se hydrogenerátor (obr. 22) s vnějším ozubením se dvěma ozubenými koly. Tyto hydrogenerátory se vyznačují neregulační charakteristikou, jednoduchostí a příznivou cenou. Základní charakteristikou hydrogenerátorů je geometrický objem, v mém případě 8 cm3 ot-1. Geometrický objem je objem, který je zaplňován kapalinou za jednu otáčku hydrogenerátoru. Objemový průtok hydrogenerátoru je tedy přímo závislý na otáčkách pohonného agregátu. Pro přenos kroutícího momentu byl z široké nabídky výrobce zvolen konec hřídele s těsným perem. Toto řešení umožňuje použití běžně vyráběné spojky pro přenos kroutícího momentu mezi hydrogenerátorem a v tomto případě elektromotorem. Hydrogenerátor je k rámu připevněn dvěma šrouby M10. Obr. 22 Hydrogenerátor BRNO 2012 28

VLASTNÍ KONCEPČNÍ NÁVRH STROJE 2.3.3 HYDROMOTOR Dalším hlavním prvkem hydraulického obvodu byl zvolen přímočarý dvojčinný hydromotor od výrobce ULBRICH [22] s konkrétním označením UHN 210 (obr. 23). Tento hydromotor má vnitřní průměr pístu 100 mm, zdvih 800 mm a maximální pracovní tlak 210 bar. Mezi jeho výhody patří velká síla při malých rozměrech, široká škála upevnění a volba rozměrů. Zvolený hydromotor má malé rozměry a z toho plynoucí malé objemy, což je výhodné pro větší rychlost pracovního zdvihu. Hydromotor je k rámu přišroubován pomocí příruby šesti šrouby M16. 2.3.4 ROZVADĚČ Obr. 23 Hydromotor Důležitým ovládacím prvkem je přímočarý, šoupátkový, čtyřcestný, ručně ovládaný rozvaděč (obr. 24) se třemi pracovními polohami, který obsahuje vratné pružiny. Rozvaděč byl zvolen od výrobce ARGO HYTOS [6] pod označením RPR3-04. Tento rozvaděč se vyznačuje maximálním průtokem 30 dm 3 min -1, maximálním tlakem 300 bar a libovolnou montážní polohou. U rozvaděče je použitá vhodnější ovládací páka. Pod rozvaděčem je umístěná montážní příruba od téhož výrobce s označením DP3-04/32-10 na kterou je rozvaděč připevněn čtyřmi šrouby M5 a sanotná deska je k rámu upevněna 2 šrouby M6. Obr. 24 Rozvaděč BRNO 2012 29

VLASTNÍ KONCEPČNÍ NÁVRH STROJE 2.3.5 TLAKOVÝ VENTIL K regulaci tlaku v hydraulickém obvodu slouží přímořízený přepouštěcí tlakový ventil, který zároveň plní funkci pojišťovacího ventilu. Tento ventil je od výrobce ARGO HYTOS [6] a má označení VPP2-04 a provedení RB1. Vyznačuje se maximálním průtokem 40 dm 3 min -1, maximálním tlakem 350 bar a libovolnou montážní polohou. Seřízení se provádí maticí. Ventil je na obr. 25 a k držáku je upevněn dvěma šrouby M6. 2.3.6 FILTR Obr. 25 Tlakový ventil Filtr zajišťuje čistotu hydraulické kapaliny v obvodu a je zde použit jako filtr odpadní. Je volen od firmy PARKER [13] typem 15P (obr. 26). Jedná se o filtr s maximálním tlakem do 207 bar. K držáku je uchycen dvěma šrouby M6. Obr. 26 Filtr BRNO 2012 30

VLASTNÍ KONCEPČNÍ NÁVRH STROJE 2.4 POHONNÝ AGREGÁT Pohonný agregát zahrnuje elektromotor s hřídelovou spojkou. Elektromotor byl zvolen od výrobce SIEMENS [17] s typovým označením 1LA9 113-2LA60 (obr. 27). Jedná se o trojfázový asynchronní motor s napájením 400V/50Hz. Tento motor se vyznačuje výkonem 6,5 kw, otáčkami 2900 min -1 a jmenovitým momentem 21 Nm. Hřídelová spojka byla použita od výrobce SIT [18] typem METALDRIVE GMD-S. Motor je upevněn čtyřmi šrouby M12. Obr. 27 Elektromotor se spojkou 2.5 KLÍN Klín štípacího stroje byl zvolen jako svařenec (obr. 28). Hlavní části jsou svařeny z pásové oceli třídy 11 523 a střed klínu z oceli třídy 15 230.7, která vyniká větší tvrdostí. Samotný klín je pevně svařen s deskou, která jej vodí v dané trajektorii. Hlavní úhel břitu klínu je volen 30 jako optimální kompromis mezi rozvíráním štípy a k tomu potřebné síly. Spoj klínu s hydromotorem je realizován čepem, který je zajištěn pojistným kroužkem. Přední hrana klínu je zkosená, aby se vodící deska nezasekávala o štípané poleno. Ke spojení s vodícími lištami pak slouží 8 zápustných šroubu s vnitřním šestihranem. Obr. 28 Štípací klín BRNO 2012 31

NÁVRH A VÝPOČET HLAVNÍCH ČÁSTÍ HYDRAULICKÉHO PŘEVODU 3 NÁVRH A VÝPOČET HLAVNÍCH ČÁSTÍ HYDRAULICKÉHO PŘEVODU 3.1 NÁVRH HYDROMOTORU Základním parametrem, o který se opírá návrh tohoto stroje, je štípací síla o velikosti 140 kn. Dalším parametrem je zdvih, který vychází ze základní koncepce a to 0,8 m. Volba hydromotoru přímo závisí na těchto parametrech, proto na základě průzkumu podobných kritérií volím hydromotor o průměru pístu 100 mm s maximálním tlakem 210 bar. 3.1.1 KONTROLA ZVOLENÉHO HYDROMOTORU S S p p 2 Dp 4 (100 10 ) 4 3 2 2 0,007854 2.8 m 2.7 kde : S obsah pístu hydromotoru m 2 p p p p p p D F p S F 5 210 10 0,007854 164934 3.0 kde : F maximální síla hydromotoru N p p p průměr pístu hydromotoru m maximální tlak hydromotoru Pa N 2.9 Z výsledků vyplývá, že síla F p, kterou vyvine motor při tlaku 210 bar je předimenzovaná oproti návrhové síle F (140 kn). Z tohoto důvodu snižuji pracovní tlak v okruhu na hodnotu 175 bar. Snížení tlaku má příznivý vliv na bezpečnost systému a snižuje výkonový návrh dalších částí hydraulického systému. Toto snížení zabezpečuje tlakový ventil. p F S p 3.1 BRNO 2012 32

NÁVRH A VÝPOČET HLAVNÍCH ČÁSTÍ HYDRAULICKÉHO PŘEVODU 3 14010 p 17825312 Pa 178 MPa 178bar 3.2 0,007854 kde : p potřebný tlak v systému bar F štípací síla N 3.1.2 ZPĚTNÝ ZDVIH S S pt pt S p 2 Dpt 4 (7010 ) 4 3 2 2 0,007854 0,004006 3.4 m 3.3 kde : S obsah pístu bez vodící tyče m D 2 pt pt průměr vodící tyče m F F z z ps pt 6 17,8 10 0,004006 71 306,8 3.6 N 3.5 kde : F síla potřebná na zpětný zdvih N z Z výpočtu je zřejmé, že zpětný zdvih hydromotoru (nahoru) vyžaduje zhruba poloviční zatížení, než zdvih pracovní (dolů). 3.2 NÁVRH HYDROGENERÁTORU Pro návrh vhodného hydrogenerátoru definuji čas pracovního zdvihu. Podle osobních zkušeností a průzkumu podobných strojů volím 15 s. Doba pracovního zdvihu je nepřímo úměrná geometrickému objemu hydrogenerátoru a z toho plynoucímu výkonu motoru, proto je zde třeba najít vhodný kompromis mezi cenou použitých částí hydraulického systému a pracovní rychlostí stroje. V S z V pp pp p 2 0,007854 80 10 3 0,006283m 3.8 3.7 BRNO 2012 33

NÁVRH A VÝPOČET HLAVNÍCH ČÁSTÍ HYDRAULICKÉHO PŘEVODU kde : V objem hydromotoru m 3 pp z zdvih pístu hydromotoru m Q pn V t pp n 0,006283 Qpn m s l 15 (3.9) 3 1 1 0,0004189 25,132 min (4.0) kde : Q potřebný průtok hydrogenerátoru m s t n 3 1 pn pracovní časvýsunu pístu s Z uvedeného výpočtu lze zjistit, jaký musí mít hydrogenerátor průtok. Výpočet se zpětným zdvihem zde záměrně neuvádím, protože z průřezů hydromotoru je patrné, že objem oleje ke zpětnému zdvihu je při stejném zdvihu téměř o polovinu menší, z toho plyne, že při stejném průtoku čerpadla bude doba zpětného zdvihu také zhruba o polovinu menší. 3.2.1 VOLBA HYDROGENERÁTORU Základním a charakteristickým parametrem u hydrogenerátorů je geometrický objem tzn. objem za otáčku. Z této úvahy je patrné, že záleží na otáčkách motoru. Po průzkumu trhu zjišťuji, že při napájení ze sítě 400V a výkonech motoru větších než 3 kw se otáčky pohybují okolo 2900 min -1. Jde o úvahu, proto zde neuvažuji účinnost. V on Q n pn n 25,132 Von l ot cm ot 2900 1 3 0,008667 8,67 / 4.2 4.1 3 kde : Von potřebný geometrický objem hydrogenerátoru cm / ot nn potřebné otáčky elektromotoru ot min 1 Na základě výpočtu volím hydrogenerátor od firmy JIHOSTROJ [9] s typovým označením T3-8 s geometrickým objemem 8 cm 3 ot -1 a elektromotor o jmenovitých otáčkách 2900 ot min -1. BRNO 2012 34

NÁVRH A VÝPOČET HLAVNÍCH ČÁSTÍ HYDRAULICKÉHO PŘEVODU 3.3 VOLBA MOTORU Motor volím dle potřebných otáček motoru a potřebnému výkonu na pohon hydrogenerátoru, který si přibližně zjistím výpočtem. P Q p n n pn 5 0,0004189 178 10 7456,42 7,5 4.4 P W kw kde : P potřebný výkon elektromotoru kw n 4.3 Z výpočtu vyplývá, že musím volit motor s výkonem přibližně 7,5 kw. Z katalogů asynchronních motorů s podobnými parametry však vyplývá, že tyto motory lze krátkodobě přetěžovat a to dokonce dvojnásobkem až čtyřnásobkem jmenovitého výkonu. Tuto domněnku si později potvrdím výpočtem. Volím tedy elektrický motor od výrobce SIEMENS [17] s označením 1LA9 113-2LA60 s jmenovitým výkonem 6,5 kw a jmenovitými otáčkami 2900 ot min -1. Jedná se o motor z řady se zvýšeným výkonem. 3.3.1 PŘEPOČET DOBY PRACOVNÍHO A ZPĚTNÉHO ZDVIHU Q V n h h o Q m s l 6 1 3 1 1 8 10 2900 60 0,0003866 23,196 min 4.6 4.5 kde : Qh skutečný průtok hydrogenerátoru m s n skutečné otáčky elektromotoru ot min 3 1 1 t t p p V Q pp h 0,006283 16,25 s 4.8 0,0003866 4.7 kde : t skutečný čas pracovního zdvihu s p Přepočet ukazuje, že doba je o něco větší než byla zadaná, ovšem doba zdvihu není rozhodující veličina, a proto tento malý rozdíl zanedbám. BRNO 2012 35

NÁVRH A VÝPOČET HLAVNÍCH ČÁSTÍ HYDRAULICKÉHO PŘEVODU Abych potvrdil úvahu o zpětném zdvihu, provedu kontrolní výpočet. V S z V pz pz pt 2 3 0,004006 80 10 0,003205 m 5.0 4.9 kde : V objem hydromotoru při zpětném zdvihu m 3 pz t t pz pz V Q pz h 0,003205 8, 29 s 5.2 0,0003866 5.1 kde : t skutečný čas zpětného zdvihu s pz Doba zpětného zdvihu má opravdu dle výpočtu zhruba poloviční hodnotu oproti době pracovního zdvihu. 3.3.2 KONTROLA VOLBY MOTORU Nyní mi zbývá ověřit, zda je zvolený motor opravdu vhodný pro pohon zvoleného hydraulického systému, zda má dostatečný výkon a bude fungovat bezchybně. Důležitým kritériem je mechanická účinnost, která je udávána u hydrogenerátoru, v tomto případě η m = 0,85. P Q p P cu cu h 5 0,0003866 178 10 6881,5 W 5.4 kde : P hrubý potřebný výkon elektromotoru W cu 5.3 P c P c Pcu m 6881,5 8095,9 W 5.6 0,85 5.5 kde : P potřebný výkon elektromotoru W c mechanická účinnost hydrogenerátoru m BRNO 2012 36

NÁVRH A VÝPOČET HLAVNÍCH ČÁSTÍ HYDRAULICKÉHO PŘEVODU P P P c m P 8095,9 6500 1595,9 W 5.8 kde : P překročení jmenovitého výkonu W P jmenovitý výkon elektromotoru W m Z výpočtů vychází, že potřebuji motor o výkonu přibližně 8,1 kw. Zvolen byl však motor s výkonem 6,5 kw. Z tohoto vidím, že jmenovitý výkon je překročen o více než 1,5 kw. Asynchronní motor obecně lze krátkodobě přetížit až do hodnoty momentu zvratu. Důležitou roli zde hraje slovo krátkodobě, ovšem z konstrukce štípacího stroje a obecně z problematiky štípání dřeva lze vyčíst, že je tato podmínka splněna, a že k dlouhodobému přetěžování zde nebude docházet. 5.7 M M max v max v Pc 9550 n 5.9 3 8095,9 10 9550 26,661 Nm 2900 6.0 kde : M maximální potřebný elektromoment Nm max v m m max z max z M M max v n 26,661 1, 2696 6.2 21 6.1 kde : m maximální moment zvratu M max z n jmenovitý moment elektromotoru Nm př př dov dov M m max max z M n 100 6.3 3,8 1,2696100 482,45% 6.4 kde : př dovolené přetížení elektromotoru % M M dov max n moment zvratu elektromotoru BRNO 2012 37

NÁVRH A VÝPOČET HLAVNÍCH ČÁSTÍ HYDRAULICKÉHO PŘEVODU př př skut skut P 100 6.5 P m 1595,9 100 24,55% 6.6 6500 kde : př skutečné přetížení elektromotoru % skut Z výpočtů, je zřejmé, že motor je možno přetížit až o 482,45 % jmenovitého výkonu. Moje přetížení o velikosti 24,55% jmenovitého výkonu je zde tolerovatelné. Motor tedy vyhovuje. 3.4 HYDRAULICKÁ KAPALINA Jako hydraulická kapalina pro tento obvod byl zvolen hydraulický olej třídy HM dle ISO 6743/4 H s viskozitou při 40 C 46 mm 2 s -1 dle ISO 3448. Tento olej obsahuje aditiva proti oxidaci a korozi a proti oděru. Jako příklad může složit hydraulický olej od výrobce MOGUL [11] typovým označením HM 46, který splňuje tyto normy. BRNO 2012 38

NÁVRH A VÝPOČET OSTATNÍCH SOUČÁSTÍ HYDRAULICKÉHO OBVODU 4 NÁVRH A VÝPOČET OSTATNÍCH SOUČÁSTÍ HYDRAULICKÉHO OBVODU 4.1 VÝPOČET NÁDRŽE Dle [5] se v mém případě jedná o nádrž, protože na olej působí pouze atmosferický tlak. Dále se jedná o otevřený hydraulický obvod s neregulačním hydrogenerátorem a proto se objem nádrže volí jako dvojnásobek až čtyřnásobek maximálního objemového průtoku čerpadla. Nádrž bude v tomto případě ve stojině rámu stroje. S S s s j 2 3 2 4 2 (144 10 ) 207,36 10 m 6.8 6.7 kde : S přibližný průřez stojiny m V S l n n s 2 s j vnitřní hrana stojiny bez rádiusů m V m l 4 3 3 207,36 10 1707 10 0,0354 35, 4 7.0 6.9 kde : V objem nádrže m 3 n l výška stojiny s olejem m k k n n V Q n h 35,4 1, 53 7.2 23,196 7.1 kde k objemový poměr nádrže a minutového průtoku čerpadla m 3 : n 7.3 Jelikož jsem snížil pracovní tlak z 210 bar na 178 bar, dá se říci, že 1,5 násobek objemového průtoku čerpadla je vhodný kompromis mezi nutným množstvím oleje a rozměry nádrže. Nádrž tedy bude obsahovat 35,5 l oleje. Odchylka od výpočtu 0,1 l je kompenzována ryskami na měrce oleje. BRNO 2012 39

NÁVRH A VÝPOČET OSTATNÍCH SOUČÁSTÍ HYDRAULICKÉHO OBVODU 4.2 HADICE A POTRUBÍ Návrh hadic a potrubí se opírá o následující výpočet. Platný vzorec dle [2] obsahuje průtok hydrogenerátoru, který již znám a návrhovou rychlost proudění v rozvodech. Tuto rychlost volím dle tabulky v [2] z hodnot 5 až 6 m s -1 na hodnotu 5,5 m s -1. d hp Qh 1,13 7.4 v hp 0,0003866 dhp 1,13 0,009474 m9, 47 mm 7.5 5,5 kde : d minimální průměr hadica potrubí m hp vhp návrhová rychlost v hadicích a potrubí ms Qh skutečný průtok hydrogenerátoru m s 3 1 1 Z uvedeného výpočtu je zřejmé, že minimální průměr rozvodů bude 9,47 mm. Na základě tohoto, volím z [13] hadice o vnitřním průměru 3/8 (9,525 mm) s označením 421SN-6 a potrubí s vnitřním průměrem 10 mm od téhož výrobce s označením R14X2VZ. 4.3 KONTROLA PŘENOSU KROUTÍCÍHO MOMENTU POHONU Jelikož je přenos kroutícího momentu mezi elektromotorem a hydrogenerátorem realizován pomocí těsných per a hřídelové spojky provedu kontrolu pera na otlačení. Jako bezpečnou kontrolu přenosu uvádím kontrolu menšího pera na menší hřídeli u hydrogenerátoru jedná se o verzi V1. M M kp kp 60 Pc 2 n 7.6 608095,9 26,66 Nm 2 2900 7.7 kde : M kroutící moment na pero Nm P c kp potřebný výkon motoru W n skutečné otáčky elektromotoru ot min 1 BRNO 2012 40

NÁVRH A VÝPOČET OSTATNÍCH SOUČÁSTÍ HYDRAULICKÉHO OBVODU F F pe pe 2 M d h kp 226,66 3374,52 N 7.9 0,0158 7.8 kde : F síla na pero N P p Fpe t ( l b ) 1 d 1 pe h p p 3374,52 Pp 100432142,9 Pa 100,4 MPa 8.1 0,0016 (0,025 0,004) kde : P tlak na pero Pa t l p b p průměrnakterémpůsobí síla na pero m výška pera v náboji m p délka pera m šířka pera m 8.0 Otlačení na pero je dle výpočtu 100,4 MPa, dovolená hodnota se dle [4] pohybuje na hodnotě 120 MPa. Přenos kroutícího momentu můžu tedy považovat za vyhovující. 4.4 KONTROLA ČEPU KLÍNU Další nutná kontrola je čep klínu, který přenáší celé zatížení 140 kn. Kontrolovat jej budu na střih. S S c c 2 dc 4 0,05 4 2 2 0,001963 8.3 m 8.2 kde : S průřez čepu m d 2 c c průměr čepu m BRNO 2012 41

NÁVRH A VÝPOČET OSTATNÍCH SOUČÁSTÍ HYDRAULICKÉHO OBVODU F s S c 140000 s 71301414,5 Pa 71,3 MPa 8.5 0,001963 kde : F síla na čep N napětí ve smyku Pa s 8.4 Dle výpočtu má napětí ve smyku velikost 71,3 MPa. Za dovolené napětí je v tomto případě mohu považovat mez kluzu dle [3] u oceli třídy 11 600 je 295 MPa. Čep tedy vyhovuje. BRNO 2012 42

ZÁVĚR ZÁVĚR Dle zadání byla vypracována krátká rešeršní analýza dostupných štípacích strojů. Bylo provedeno základní dělení štípacích strojů podle několika kritérií. Nejprve byly charakterizovány konstrukce štípaček dle polohy štípaného polene, poté dle použitého nástroje, dle velikosti štípací síly, dle řízení hydraulického obvodu a v poslední řadě dle použitelných pohonů. Na základě tohoto seznámení se se štípacími stroji byl vytvořen návrh konstrukce štípačky. V úvodu byl navržen rám, spočítán analyticky a poté zkontrolován pevnostní analýzou pomocí metody MKP. Poté byl navržen nástroj štípací klín. V druhé části se bakalářská práce zabývá výpočtem a návrhem hydraulického obvodu. Nejprve byl zvolen hydromotor o průměru pístu 100 mm, poté zvolen čas pracovního zdvihu na 15 s a následně dopočítán potřebný průtok hydrogenerátoru. Na základě těchto hodnot byl zvolen hydrogenerátor o geometrickém průtoku 8 cm3 ot-1 a elektromotor o jmenovitém výkonu 6,5 kw. Poté byly tyto návrhy přepočítány na skutečné hodnoty a tak zkontrolována jejich funkčnost a vhodnost. Jako další část byly zvoleny další prvky hydraulického obvodu jako je hydraulická kapalina, nádrž realizovaná v rámu, filtr, redukční ventil a rozvaděč. V poslední části bakalářské práce je provedena nezbytná kontrola těsného pera na přenos kroutícího momentu mezi elektromotorem a hydrogenerátorem, kontrola čepu na klínu a dopočítány hodnoty pro návrh průměrů potrubí a hadic do hydraulického obvodu. V poslední řadě byl vypracován 3D model v prostředí Autodesk Inventor Professional 2011, aby se ověřily proporce a funkčnost stroje. Poté byla vypracována výkresová dokumentace stroje. Navržená konstrukce štípacího stroje je pro daný účel použití vyhovující, nepraktická je pouze větší pohotovostní hmotnost stroje, která činní 420 kg. Rozměry stroje jsou přizpůsobené potřebám a skladování je vyřešeno pomocí posuvného těla hydromotoru. Maximální rozměry štípaného polene jsou v délce 110 cm a průměru 65 cm. Všechny zadané cíle bakalářské práce byly splněny. Zadání by se dalo rozšířit o volitelné příslušenství jako je jiný klín, nebo podstavová deska pro štípání menších délek. BRNO 2012 43

POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE [1] JANÍČEK, Přemysl, Emanuel ONDRÁČEK a Jan VRBKA. Pružnost a pevnost: učební text FS. Brno: VUT, 1992. [2] KOPÁČEK, Jaroslav a Bohuslav PAVLOK. Tekutinové mechanismy. 2. vyd. Ostrava: VŠB - Technická univerzita, 2005, 151 s. ISBN 978-80-248-0856-7. [3] LEINVEBER, Jan a Pavel VÁVRA. Strojnické tabulky: pomocná učebnice pro školy technického zaměření. 1. vyd. Úvaly: ALBRA, 2003, 865 s. ISBN 80-864-9074-2. [4] SHIGLEY, Joseph Edward, Charles R MISCHKE a Richard G BUDYNAS. Konstruování strojních součástí. 1. vyd. Editor Martin Hartl, Miloš Vlk. Brno: VUTIUM, 2010, 1159 s. ISBN 978-80-214-2629-0. [5] ŠKOPÁN, Miroslav. HYDRAULICKÉ POHONY STROJŮ: studijní text sylabus. Brno, 2009. [6] ARGO-HYTOS: Hydraulické komponenty. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: http://www.argo-hytos.com/ [7] Balfor A12 V/500: a12v500.jpg. In: [online]. [cit. 2012-03-21]. Dostupné z: http://www.alpinetractors.com/products/firewood/domestic/a12v500.jpg [8] Hecht 6: obrazek_225.jpg. In: [online]. [cit. 2012-03-20]. Dostupné z: http://www.hecht.cz/editor/image/produkty1/obrazek_225.jpg [9] JIHOSTROJ: Hydraulická čerpadla řady T-3. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: http://www.jihostroj.com/cz/hydraulika/zubova-hydraulicka-cerpadla-amotory/hydraulicka-cerpadla-rady-t-3/ BRNO 2012 44

POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE [10] Lumag HE 14: lumag-he-14(346x600).jpg. In: [online]. [cit. 2012-03-26]. Dostupné z: http://www.narex-makita.cz/naradi/stipacky-na-drevo/lumag-he-14(346x600).jpg [11] MOGUL: Hydraulický olej HM 46. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: http://www.mogul.cz/produkty/katalogovylist.aspx?kodproduktu=v532310 [12] MTD LS 550: benzinovy-stipac-na-drevo-ls-550-mtd-zdarma-doprava.jpg. In: [online]. [cit. 2012-03-21]. Dostupné z: http://www.namir.cz/4626-2286- thickbox/benzinovy-stipac-na-drevo-ls-550-mtd-zdarma-doprava.jpg [13] PARKER: Hydraulické komponenty. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: http://www.parker.com/portal/site/parker/menuitem.005db0d83405a82228323e102 37ad1ca/?vgnextoid=991880961f66e010VgnVCM1000000308a8c0RCRD&vgnextfm t=cs [14] Pezzolato TL 750: 2007_03_some_1.jpg. In: [online]. [cit. 2012-03-20]. Dostupné z: http://stavebni-technika.cz/obr/clanky2/2007_03_some_1.jpg [15] Rotační štípačka: 3491513-rotacni-stipacka-dreva-1.jpg. In: [online]. [cit. 2012-03- 26]. Dostupné z: http://img1.hyperinzerce.cz/x-cz/inz/3491/3491513-rotacni-stipackadreva-1.jpg [16] Scheppach HL 800: stipac-dreva-hl-800-scheppach-zdarma-klin-a-sekera-fiskars.jpg. In: [online]. [cit. 2012-03-20]. Dostupné z: http://www.namir.cz/4542-13877/stipacdreva-hl-800-scheppach-zdarma-klin-a-sekera-fiskars.jpg [17] SIEMENS: Elektromotory řady 1LA9. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: http://www1.siemens.cz/ad/current/index.php?ctxnh=81701c8dd9&ctxp=home [18] SIT: Hřídelová spojka Metaldrive GMD-S. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: http://www.sitspa.com/en-us/metaldrive_disc_couplings.html?idblock=157 BRNO 2012 45

POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE [19] Štípací klín Hecht 680: vertikalni-stipac-na-drevo-hecht-680-default.jpg. In: [online]. [cit. 2012-03-21]. Dostupné z: http://www.badum.cz/galerie/820/vertikalni-stipac-nadrevo-hecht-680-default.jpg [20] Štípací klín jednoduchý Vega: 9125- stipaci_klin_vega_rozsirovaci_pro_vertikalni_stipac_ls10_ls7_cid0.jpg. In: [online]. [cit. 2012-03-21]. Dostupné z: http://www.dobre- naradi.cz/media/upload/1000x1000/product/18/9125- stipaci_klin_vega_rozsirovaci_pro_vertikalni_stipac_ls10_ls7_cid0.jpg [21] Štípací kužely: stipaci-kuzel-prumer-98mm-delka-300mm.jpg. In: [online]. [cit. 2012-03-26]. Dostupné z: http://kovo-budisov.cz/eshop/20-72-thickbox/stipaci-kuzelprumer-98mm-delka-300mm.jpg [22] ULBRICH: Hydraulické válce. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: http://www.ulbrich.cz/valce.htm [23] Woodstar LH 45: LH45.jpg. In: [online]. [cit. 2012-03-20]. Dostupné z: http://www.poolewood.co.uk/acatalog/lh45.jpg BRNO 2012 46

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ a [m] výška stojiny po uchycení hydromotoru b [m] vzdálenost středu stojiny ke středu hydromotoru b p [m] šířka pera c [m] ohyb rámu d [m] vzdálenost středu stojiny ke středu desky d c [m] průměr čepu d h [m] průměr na kterém působí síla na pero d hp [m] minimální průměr hadic a potrubí D p [m] průměr pístu hydromotoru D pt [m] průměr vodící tyče E [Pa] modul pružnosti v tahu F [N] štípací síla F p [N] maximální síla hydromotoru F pe [N] síla na pero F z [N] síla potřebná na zpětný zdvih g [m s -2 ] gravitační zrychlení h [m] délka desky j [m] vnitřní hrana stojiny bez rádiusů J y [m 4 ] kvadratický moment J yd [m 4 ] kvadratický moment desky ke středu stojiny J ydt [m 4 ] kvadratický moment desky v těžišti k [-] součinitel bezpečnosti vzhledem k meznímu stavu pružnosti k n [m 3 ] objemový poměr nádrže a minutového průtoku čerpadla l [m] výška stojiny s olejem l p [m] délka pera m [kg] hmotnost charakterizující štípací sílu M [Nm] zatěžovací moment M 0 [Nm] ohybový moment MKP [-] metoda konečných prvků M kp [Nm] kroutící moment na pero M max M -1 n [-] moment zvratu elektromotoru M maxv [Nm] maximální potřebný moment BRNO 2012 47

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ m maxz [-] maximální moment zvratu M n [Nm] jmenovitý moment motoru n [ot] skutečné otáčky elektromotoru n n [ot] potřebné otáčky elektromotoru p [Pa] potřebný tlak v systému P c [W] potřebný výkon elektromotoru P cu [W] hrubý potřebný výkon elektromotoru P m [W] jmenovitý výkon elektromotoru P n [kw] potřebný výkon elektromotoru p p [Pa] maximální tlak hydromotoru P p [Pa] tlak na pero př dov [%] dovolené přetížení elektromotoru př skut [%] skutečné přetížení elektromotoru Q h [m 3 s -1 ] skutečný průtok hydrogenerátoru Q pn [m 3 s -1 ] potřebný průtok hydrogenerátoru R e [Pa] mez kluzu oceli třídy 11 523 S c [m 2 ] průřez čepu S d [m 2 ] průřez desky S p [m 2 ] obsah pístu hydromotoru S pt [m 2 ] obsah pístu bez vodící tyče S s [m 2 ] přibližný průřez stojiny t [m] tloušťka desky t 1 [m] výška pera v náboji t n [s] pracovní čas výsunu pístu t p [s] skutečný čas pracovního zdvihu t pz [s] skutečný čas zpětného zdvihu v hp [m s -1 ] návrhová rychlost v hadicích a potrubí V n [m 3 ] objem nádrže V on [cm 3 ot -1 ] potřebný geometrický objem hydrogenerátoru V pp [m 3 ] objem hydromotoru V pz [m 3 ] objem hydromotoru při zpětném zdvihu W [J] energie napjatosti z [m] zdvih pístu hydromotoru BRNO 2012 48

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ ΔP [W] překročení jmenovitého výkonu η m [-] mechanická účinnost hydrogenerátoru π [-] Ludolfovo číslo σ Omax [Pa] kritické ohybové napětí na rámu σ s [Pa] napětí ve smyku BRNO 2012 49

SEZNAM PŘÍLOH SEZNAM PŘÍLOH - Výkres sestavy štípacího stroje: - SSND-BP-01-00 1 list formátu A0 - Seznam položek k výkresu sestavy štípacího stroje (kusovník): - SSND-BP-01-00/K1-K7 7 listů formátu A4 - Výkres sestavy rámu: - SSND-BP-01-01 1 list formátu A1 - Seznam položek k výkresu sestavy rámu (kusovník): - SSND-BP-01-01/K1-K2 2 listy formátu A4 - Výkres skladování a přepravy štípacího stroje: - SSND-BP-01-01/SP 1 list formátu A3 BRNO 2012 50