Katedra konstruování strojů Fakulta strojní K 9 MANIPULAČNÍ ZAŘÍZENÍ PRO HUTNÍ PRŮMYSL 2. VÝPOČTOVÁ ZPRÁVA doc. Ing. Martin Hynek, PhD. a kolektiv verze - 1.0 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Hledáte kvalitní studium? Nabízíme vám jej na Katedře konstruování strojů Katedra konstruování strojů je jednou ze šesti kateder Fakulty strojní na Západočeské univerzitě v Plzni a patří na fakultě k největším. Fakulta strojní je moderní otevřenou vzdělávací institucí uznávanou i v oblasti vědy a výzkumu uplatňovaného v praxi. Katedra konstruování strojů disponuje moderně vybavenými laboratořemi s počítačovou technikou, na které jsou např. studentům pro studijní účely neomezeně k dispozici nové verze předních CAD (Pro/Engineer, Catia, NX ) a CAE (MSC Marc, Ansys) systémů. Laboratoře katedry jsou ve všední dny studentům plně k dispozici např. pro práci na semestrálních, bakalářských či diplomových pracích, i na dalších projektech v rámci univerzity apod. Kvalita výuky na katedře je úzce propojena s celouniverzitním systémem hodnocení kvality výuky, na kterém se průběžně, zejména po absolvování jednotlivých semestrů, podílejí všichni studenti. V současné době probíhá na katedře konstruování strojů významná komplexní inovace výuky, v rámci které mj. vznikají i nové kvalitní učební materiály, které budou v nadcházejících letech využívány pro podporu výuky. Jeden z výsledků této snahy máte nyní ve svých rukou. V rámci výuky i mimo ni mají studenti možnost zapojit se na katedře také do spolupráce s předními strojírenskými podniky v plzeňském regionu i mimo něj. Řada studentů rovněž vyjíždí na studijní stáže a praxe do zahraničí. Nabídka studia na katedře konstruování strojů: Bakalářské studium (3roky, titul Bc.) Studijní program Zaměření B2301: strojní inženýrství ( zaměřený univerzitně ) Stavba výrobních strojů a zařízení Dopravní a manipulační technika B2341: strojírenství (zaměřený profesně ) Design průmyslové techniky Diagnostika a servis silničních vozidel Servis zdravotnické techniky Studijní program Zaměření Magisterské studium (2roky, titul Ing.) N2301: Strojní inženýrství Stavba výrobních strojů a zařízení Dopravní a manipulační technika Více informací naleznete na webech www.kks.zcu.cz a www.fst.zcu.cz Západočeská univerzita v Plzni, 2014 ISBN doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D. Ing. Petr Votápek, Ph.D. Ing. Zdeněk Raab, Ph.D. Bc. Michal Švamberk
Obsah: 1. Technická specifikace 4 2. Návrh pohonu muldy 6 2.1 Kontrola nosného řetězu 8 2.1.1 Kontrola měrného tlaku v kloubu nosného řetězu 8 2.2 Kontrola řetězového převodu 10 2.2.1 Kontrola měrného tlaku v kloubu řetězu 10 2.3 Kontrola pružné spojky Periflex typ 450 11 2.4 Kontrola pera spojení pružné spojky s hřídelí 12 2.5 Kontrola pera spojení hnacího řetězového kola s hřídelí 14 2.6 Kontrola pera spojení hřídele s pevnou spojkou 15 2.7 Kontrola ložisek uložení kladky s řetězovým kolem 18 2.8 Kontrola talířových pružin 21 2
Layout výstupního úseku rovnací tratě 3
1. Technická specifikace Mulda slouží jako zásobník trubek ve výstupním úseku rovnací tratě. Když je trubka vyjmuta z válečkového dopravníku, vlastní vahou se odvalí na sadu napínaných řetězů. Tyto řetězy jsou s přibývajícími trubkami povolovány a tím se zvětšuje průvěs, kde jsou nashromážděny trubky. Jakmile je dovršen určitý počet trubek v zásobníku, dojde k jejich svázání a vyjmutí z muldy. Poté se řetězy opět napnou do horní polohy a proces se opakuje. Popis technického řešení Mulda je tvořena dvěmi samostatnými rámy (1), každý stojí na čtyřech snímačích zatížení (16) přišroubovaných na základnách (15) kotvených do základu. Pozice rámů vůči základnám se vymezuje napínáky (17). Na každém rámu (1) jsou přišroubovány čtyři hnané stojiny (2) a čtyři opěrné stojiny (3). Na hnané stojině (2) je otočně uloženo řetězové kolo s kladkou (4), ke kterému je pevně připojen řetěz (5), který je v počátečním stavu navinut na kladku. Druhý konec řetězu (5) je přes sadu talířových pružin (6) spojen s opěrnou stojinou (3). Na hnaných stojinách (2) jsou umístěny ložiskové domky (7) pro dvě sériové větve hřídelů (8) s řetězovými koly (9), které jsou poháněny převodovým motorem (10), jenž je umístěn mezi rámy (1) na samostatné stojině (11). Přenos točivého momentu z převodového motoru (10) na hřídele (8) je realizován přes pružné spojky (12). Hřídele (8) v jednotlivých větvích jsou spojeny pomocí pevných spojek (13). Přenos točivého momentu z hřídele (8) na řetězové kolo s kladkou (4) je pomocí řetězu (14). Obr. 1 Mulda: 1-Rám, 2-Hnaná stojina, 3-Opěrná stojina, 5-Řetěz, 7-Ložiskový domek, 8-Hřídel, 10-Převodový motor, 11-Stojina, 12-Pružná spojka, 13 Pevná spojka 4
Obr. 2 Řez muldou: 1-Svařovaná konstrukce, 2-Hnaná stojina, 3-Opěrná stojina, 4-Řetězové kolo s kladkou, 5-Řetěz, 6-Talířové pružiny, 8-Hřídel, 9-Řetězové kolo, 14-Řetěz, 15-Základna, 16-Snímač zatížení, 17-Rozpěrka 5
2. Návrh pohonu muldy Funkce pohonu spočívá v tom, že jen spouští váhu svazku trubek, ale je požadavek, že musí umět svazek trubek také z důvodu bezpečnosti nadzvednout z dolní polohy o 100 mm. Obr. 3 Výpočtové schéma pohonu muldy Obr. 4 Rozklad sil v řetězu 6
Vstupní hodnoty: m 10000 maximální stanovená hmotnost svazku trubek D k 269 roztečný průměr navíjecí kladky D 1 253.3 roztečný průměr hnaného řetězového kola D 2 192.9 roztečný průměr hnacího řetězového kola α 20.5 úhel mezi sílou Fř1 a sílou Fc v 1.5 rychlost zdvihání trubek k dyn 1.3 koeficient bezpečnosti (zahrnuje pasivní odpory) Výstupní hodnoty: F c m = 98.067 síla působící na 8 stojin od hmotnosti trubek χ 180 ( 2 α) = 139 úhel mezi silami Fř1 F c F ř1 sin (α) = 52.348 síla působící v 8 řetězech sin (χ) D k M ř1 F ř1 = 7.041 10 3 moment působící na 8 řetězových 2 kolech D 1 i 21 = 1.313 převodový poměr řetězového převodu D 2 M ř1 M hnaci k = dyn 6.971 103 potřebný hnací moment působící i 21 na hnacím hřídeli v v ř1 = 1.601 obvodová rychlost hnaného cos (α) řetězového kola ω ř1 2 v ř1 = 0.198 úhlová rychlost hnaného řetězového D k kola ω ř2 ω ř1 i 21 = 0.261 úhlová rychlost hnacího řetězového kola 7
ω ř2 n 2 = 2.488 1 otáčky hnacího řetězového kola 2 P M hnaci ω ř2 = 1.816 potřebný výkon motoru Na základě vypočtených hodnot byla zvolena tandem převodovka CDUW size 180 od společnosti CAVEX (katalogový list viz příloha 1) a motor SEW DRE 112M4 BE5 [3] Parametry motoru: Výkon motoru Výstupní otáčky Maximální točivý moment P m 3 n m 2.75 1 M m 7710 2.1 Kontrola nosného řetězu Ve výpočtu jsou zanedbány dynamické účinky od valicích se trubek a vlastní hmotnost řetězu. Vstupní hodnoty: F ř1 = 52.348 potřebná síla v řetězech i 8 počet řetězů přenášejících sílu k 1.3 koeficient nerovnoměrného zatížení Výstupní hodnoty: F ř1 F ř k= 8.507 síla připadající na jeden řetěz i 2.1.1 Kontrola měrného tlaku v kloubu nosného řetězu Řetěz byl navržen válečkový dvouřadý ISO 20B-2 Vstupní hodnoty: Směrný tlak v kloubu řetězu Činitel tření řetězu Činitel rázů p s 31.78 [2] λ i 1 [2] Y 2 [2] Plocha kloubu S ř 590 2 [2] 8
Součinitel rázů Dovolená síla v řetězu y 0.73 [2] F dov 178 [2] Výstupní hodnoty: p ř F ř = 14.418 tlak v kloubu řetězu S ř p d p s λ i y = 23.199 dovolený tlak v kloubu řetězu if p d > p ř = vyhovuje vyhovuje else nevyhovuje F dov k s = 20.9 bezpečnost proti přetržení při F ř statickém zatížení if k s 7 = vyhovuje vyhovuje else nevyhovuje F dov k d = 10.5 bezpečnost proti přetržení při F ř Y dynamickém zatížení if k d 5 = vyhovuje vyhovuje else nevyhovuje 9
2.2 Kontrola hnacího řetězu Ve výpočtu jsou dále zanedbány odstředivé síly řetězu (z důvodu nízkých otáček řetězového kola). Vstupní hodnoty: M hnaci = 6.971 103 maximální točivý moment na hřídeli D 2 = 192.9 roztečný průměr hnacího kola i= 8 počet řetězů přenášející kroutící moment k 1.3 koeficient nerovnoměrného zatížení Výstupní hodnoty: 2 M hnaci F ř_2 k= 11.744 síla v řetězu i D 2 2.2.1 Kontrola měrného tlaku v kloubu hnacího řetězu Řetěz byl navržen válečkový dvouřadý ISO 20B-2 Vstupní hodnoty: Směrný tlak v kloubu řetězu Činitel tření řetězu Činitel rázů p s 31.78 [2] λ i 1 [2] Y 2 [2] Plocha kloubu S ř 590 2 [2] Součinitel rázů Dovolená síla v řetězu y 0.73 [2] F dov 178 [2] Výstupní hodnoty: F ř_2 p ř = 19.905 tlak v kloubu řetězu S ř p d p s λ i y = 23.199 dovolený tlak v kloubu řetězu 10
if p d > p ř = vyhovuje vyhovuje else nevyhovuje F dov k s = 15.2 bezpečnost proti přetržení při F ř_2 statickém zatížení if k s 7 = vyhovuje vyhovuje else nevyhovuje F dov k d = 7.6 bezpečnost proti přetržení při F ř_2 Y dynamickém zatížení if k d 5 = vyhovuje vyhovuje else nevyhovuje 2.3 Kontrola pružné spojky Periflex typ 450 - technické parametry zvolené spojky viz. katalogový list v příloze 2 Vstupní hodnoty: M t1 6300 jmenovitý moment přenášený spojkou M hnaci = 6.971 103 maximální točivý moment motoru n 2 počet spojek přenášejících moment k 1.3 koeficient nerovnoměrného zatížení Výstupní hodnoty: M hnaci M p k = 4.531 10 3 2 moment přenášený jednou spojkou if M t1 M p = vyhovuje vyhovuje else nevyhovuje 11
2.4 Kontrola pera spojení pružné spojky s hřídelí Obr. 5 Spojení pružné spojky s hřídelem Obr. 6 Spojení pružné spojky s hřídelem perem těsným (ČSN 02 2562) 12
Vstupní hodnoty: M p = 4.531 103 moment přenášený spojem b 22 šířka pera h 14 výška pera l 140 délka pera d 78 průměr hřídele Materiál pera - ocel 11 600 R e 320 mez kluzu materiálu ČSN 11 600 k e 2 bezpečnost (zvolená hodnota) p d R e = 160 dovolený měrný tlak k e Výstupní hodnoty: F 2 M p = 116.175 přanášená síla d S p ( l b) h = 826 2 2 styková plocha pera p F = 140.648 měrný tlak ve styku pera S p Porovnání dovoleného měrného tlaku s vypočtenou hodnotou: if p d p = vyhovuje vyhovuje else nevyhovuje 13
2.5 Kontrola pera spojení hnacího řetezového kola s hřídelí Obr. 7 Spojení řetězového kola s hřídelem perem těsným (ČSN 02 2562) Vstupní hodnoty: M hnaci = 6.971 103 moment přenášený spojem b 22 šířka pera h 14 výška pera l 100 funkční délka pera d 80 průměr hřídele i= 8 počet řetězů přenášejících moment k= 1.3 koeficient nerovnoměrného zatížení Materiál pera - ocel 11 600 R e 320 mez kluzu materiálu ČSN 11 600 k e 2 bezpečnost (zvolená hodnota) p d R e = 160 dovolený měrný tlak k e 14
Výstupní hodnoty: 2 M F hnaci k = 28.318 přanášená síla d i S p l h = 700 2 2 styková plocha pera p F = 40.454 měrný tlak ve styku pera S p Porovnání dovoleného měrného tlaku s vypočtenou hodnotou: if p d p = vyhovuje vyhovuje else nevyhovuje 2.6 Kontrola pera spojení hřídele s pevnou spojkou Obr. 8 Spojení dvou hřídelí pomocí pevné spojky 15
Obr. 9 Spojení pevné spojky s hřídelem perem těsným (ČSN 02 2562) Vstupní hodnoty: M p = 4.531 103 moment přenášený spojem b 22 šířka pera h 14 výška pera l 140 délka pera d 80 průměr hřídele Materiál pera - ocel 11 600 R e 320 mez kluzu materiálu ČSN 11 600 k e 2 bezpečnost (zvolená hodnota) p d R e = 160 dovolený měrný tlak k e Výstupní hodnoty: F 2 M p = 113.271 přanášená síla d S p ( l b) h = 826 2 2 styková plocha pera p F = 137.132 měrný tlak ve styku pera S p 16
Porovnání dovoleného měrného tlaku s vypočtenou hodnotou: if p d p = vyhovuje vyhovuje else nevyhovuje 17
2.7 Kontrola ložisek uložení kladky s řetězovým kolem Obr. 10 Parametry ložiska uložení kladky s řetězovým kolem [6] Obr. 11 Výpočtové schéma uložení kladky s řetězovým kolem 18
Vstupní hodnoty: m k 36.5 hmotnost kladky F c = 98.067 síla působící od hmotnosti trubek C 0 40.5 statická únosnost ložiska C 58.5 dynamická únosnost ložiska X 1 radiální součinitel V 1 rotační součinitel l 1 69.8 vzdálenost mezi ložiskem A a těžištěm l 2 108.5 vzdálenost mezi ložiskem A a silou působící na kladku l 3 131 vzdálenost mezi ložiskem A a ložiskem B S 1 1 směrný součinitel statické bezpečnosti m 3 exponent trvanlivosti pro bodový styk n 2 = 2.488 1 otáčky na hnacím kole i= 8 počet kladek prenášejících sílu i 21 = 1.313 převodový poměr řetězového převodu k 1.3 koeficient nerovnoměrného zatížení Výstupní hodnoty: F c F 1 k= 7.968 síla působící na kladku 2 i F G m k = 357.943 tíhová síla od hmotnosti kladky n 1 n 2 = 1.895 1 otáčky na hnaném kole i 21 F RA F G F1 + F RB = 0 podmínka rovnováhy sil F G l 1 + F 1 l 2 F RB l 3 = 0 momentová podmínka k bodu A 19
F F RB G l 1 + F 1 l 2 = 6.79 reakce v místě B l 3 F RA F G + F 1 F RB = 1.536 reakce v místě A F max max F RA, F RB = 6.79 výběr větší reakční síly F e V X F max = 6.79 ekvivalentní dynamické zatížení S 0 C 0 = 5.965 součinitel bezpečnosti ložiska při F e statickém namáhání if S 0 S 1 = vyhovuje vyhovuje else nevyhovuje m L 10 = C F 639.5 trvanlivost ložiska při 90% e spolehlivosti v milionech otáčkách L 10h 106 L = 10 5.625 106 trvanlivost ložiska při 90% n 1 spolehlivosti v hodinách Provozní trvanlivost ložiskového uložení závisí na mnoha dalších faktorech, jako je mazání, stupeň znečištění, nesouosost, správná montáž, okolní podmínky atd. Proto se předpokládaná trvanlivost ložisek může výrazně lišitod skutečné provozní trvanlivosti v dané oblasti použití. V tomto případě spočítaná trvanlivost spolehlivě dosáhne na teoretickou základní hodnotu 1 000 000 otáček i se zohledněním výše zmíněných faktorů a proto lze konstatovat, že navržené uložení. 20
2.8 Kontrola talířových pružin - technické parametry zvolené pružiny viz. katalogový list v příloze 3 -při sériovém řazení pružin se přenášená síla nezvětšuje, dochází pouze ke zvyšování průhybu Vstupní hodnoty: Obr. 12 Výpočtové schéma uchycení řetězu k opěrné stojině F ř1 = 52.348 síla vyvozená od váhy trubek F c 43.952 síla přenášená jednou pružinou i= 8 počet řetězů přenášených sílu Fř1 k= 1.3 koeficient nerovnoměrného zatížení n 10 počet talířových pružin s 1 1.7 maximální stlačení jedné pružiny Výstupní hodnoty: s n s 1 = 17 maximální stlačení svazku pružin F ř1 F ř k= 8.507 síla v jednom řetězu i if F c > F ř = vyhovuje vyhovuje else nevyhovuje 21
V grafu je červeně vyznačená síla v jednom řetězu při rovnoměrně rozložené hmotnosti ležícího svazku trubek. Stlačení pružin je v tomto stavu předpokládané přibližně 3 mm. Zbývající možné stlačení pružin je vyhrazeno pro tlumení dynamických účinků zakládání trubek. Závislost stlačení svazku pružin na zatěžující síle 22
Použitá literatura [1] LEINVEBER, J., RASA, J., VÁVRA, P. Strojnické tabulky. Praha: Scienta, spol. s.r.o. 1998 [2] KRÁTKÝ, J., HOSNEDL, S. Obecné strojní části 1, Brno: Computer Press, 1999 [3] Katalog převodových motorů od firmy SEW EURODRIVE webová stránka firmy: http://www.sew-eurodrive.cz vybrané stránky katalogu jsou příloze této zprávy [4] Katalog obručových spojek Periflex od firmy RUBENA webová stránka firmy: http://www.rubena.cz vybrané stránky katalogu jsou v příloze této zprávy [5] Katalog válečkových řetězů od firmy MAEDLER webová stránka firmy: https://www.maedler.de webová stránka katalogu: http://smarthost.maedler.de/datenblaetter/k40_43_en.pdf [6] Katalog ložisek od firmy SKF webová stránka firmy: http://www.skf.com vybrané stránky katalogu jsou součástí této zprávy [7] Katalog talířových pružin od firmy HENNLICH webová stránka firmy: http://www.hennlich.cz vybrané stránky katalogu jsou součástí této zprávy [8] Katalog převodovky od firmy CAVEX webová stránka firmy: http://www.cavex-drivetechnology.com vybrané stránky katalogu jsou součástí této zprávy 23
Příloha č. 1 Katalogový list převodovky CDUW size 180 24
25
Příloha č. 2 Katalogový list pružné spojky Periflex typ 450 od společnosti RUBENA 26
27
Příloha č. 3 Katalogový list talířových pružin od společnosti HENNLICH 28
29
30
doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D., Ing. Zdeněk Raab, Ph.D., Ing. Petr Votápek, Ph.D., Bc. Michal Švamberk Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.2.00/28.0056 Ukázkové vývojové projekty z praxe pro posílení praktických znalostí budoucích strojních inženýrů.