Nové aplikace elektrohydraulických zkušebních zařízení

Téměř před 50 lety byla přijata filosofie optimálního dimenzování strojů vycházející ze shody výpočtových metod a experimentů. Umožnil to zdařilý vývoj elektrohydraulických dynamických zdrojů síly v elektrohydraulických zkušebních strojích (s jedním až třemi kanály) a v elektrohydraulických zkušebních systémech (s větším počtem kanálů). První praktické experimenty byly provedeny v leteckém a automobilovém průmyslu. Dostatek finančních prostředků a vynikající teoretické zázemí při dimenzování mechanických konstrukcí letadel a osobních automobilů vedlo k rychlému zavedení dynamických zkoušek a na jejich základě ke zdokonalení zkoušených mechanických konstrukcí. V těchto klasických oborech zkušebnictví nezaniká. Použití kompozitů mění mechanické konstrukce letadel. I v automobilovém průmyslu jsou karoserie vyráběny z nových materiálů a zvyšují se požadavky uživatelské sféry. V současné době jsou aktuální trendy rozvoje moderního zkušebnictví v rozsáhlých oborech železniční dopravy a větrných elektráren. Zkoušky vagonů a jejich komponent V železniční dopravě je rozvoj zkušebnictví vyvolán požadavky na vysoký komfort cestujících a na spolehlivost železniční dopravy při zvýšené rychlosti jízdy. Významné jsou zkoušky objektů tvořených pružinami, tlumiči a vzdušnými vaky sekundárního odpružení. Zkušební stroje umožňují životnostní zkoušky těchto objektů i měření jejich statických a dynamických charakteristik. Důležitým poznatkem je porovnávací měření těchto charakteristik po odjetí určitého počtu kilometrů, umožňující zjistit změnu parametrů odpružení v průběhu životnosti odpružovacího objektu. Tlumiče jsou zkoušeny na stroji umožňujícím nastavit zkoušený tlumič do shodné polohy vůči zemi, jako je montován do podvozku. Vzduchové vaky se zkouší víceosým namáháním odpovídajícím jejich zatížení při provozu. Dalším důležitým objektem zkoušek jsou dynamicky namáhané komponenty, zejména železniční kola a nápravy v místech nalisování kol. Při zkouškách těchto komponent je vznikající ohyb vytvářen rotující zatěžovací silou, jak to odpovídá rotující zátěži za jízdy vlaku. Rotující zatěžovací síla je vytvářena velmi ekonomicky v rezonančním provozu, který umožňuje minimalizovat energii vynakládanou na vytváření ohybového momentu. Zkušební zařízení s malým elektrickým příkonem tak umožňuje vytvářet velký, rychle rotující ohybový moment. Prováděné životnostní zkoušky mohou být proto značně zkráceny proti „odjetému“ času v reálném provozu. Důležité jsou zkoušky podvozků železničních vagonů a lokomotiv. Pro ně se dodávají přestavitelné zkušební stroje dovolující přestavit rám zkušebního stroje podle konkrétního zkoušeného podvozku a aplikovat různý počet zatěžovacích válců simulujících jednotlivé síly zatěžující podvozek z kolejí a z vagonů nebo z lokomotivy. Základním využíváním těchto zkušebních strojů je ověření životnosti celého podvozku a měření jeho statických a dynamických charakteristik. Toto zkušební zařízení může měřit statické a dynamické charakteristiky jednotlivých komponent železničního podvozku na celém sestaveném podvozku. Komplexními zkušebními stroji se zkoušejí celé vagony nebo lokomotivy. Umožňují měřicí zkoušky a dále simulaci zatěžování odpovídající jízdě vagonu po kolejích. Měřicí zkoušky zahrnují např. momenty potřebné pro otáčení podvozků v zatáčkách a měření chování odpružení v zatáčkách. Simulace zatěžování odpovídající jízdě probíhá obdobně jako u automobilů zaváděním svislých, příčných a podélných sil do jednotlivých kol podvozků. S ohledem na hmotnost zkoušených vagonů vznikají velké prostorové nároky na velikost zkušebny a zkoušky jsou energeticky velmi náročné. Vlastní zkouška může vyvolat „malé zemětřesení“. Důležité je uložení základových bloků tak, aby nebyly uvolňovanou energií poškozovány okolní budovy a narušen běžný život v okolí zkušebny. Zkoušky komponent větrných elektráren Větrné elektrárny jsou alternativním zdrojem elektrické energie. Podíváme-li se na velké „větrníky“ v krajině, neuvědomujeme si jejich skutečné rozměry. V současné době jsou vyráběny s délkou jednoho listu do sedmdesáti metrů, přičemž se připravují větrníky s listy o délce devadesát metrů. Jednotlivé díly větrníku jsou zatěžovány velkými statickými silami způsobenými jejich hmotností a tlakem větru. Namístě jsou požadavky pro jejich statické a dynamické testování. Hlavní součástí větrné elektrárny jsou tři listy větrníku. Listy jsou vyrobeny co nejlehčí z plastů, jsou duté, velmi pružné, což umožňuje ohyb o deset i více metrů. Při zkouškách statické pevnosti jsou při realizaci tohoto ohybu vyvozovány síly v desítkách až stovkách tun. Používané hydraulické válce vykazují zdvih mnoha metrů. Důležitým faktorem zkoušek je jejich bezpečnost. Při ohybu listu o více metrů značnou silou je nahromaděna velká energie, jejíž náhlé uvolnění – vymrštění konce zkoušeného listu – by vedlo ke katastrofickým následkům. Zkušební systém je vybaven bezpečnostními prvky, které výskytu takové nehody zabrání. Dlouhý list větrníků je náchylný ke kmitání vlastní frekvencí buzeném dynamickým působením větru. Při kmitání ve vlastní frekvenci je potřebná nejmenší dodaná energie. List kmitá s amplitudou několika metrů již při minimálních budicích silách, a proto je třeba ověřovat životnost listu při jeho velké dynamické zátěži, při kmitání vlastní frekvencí. Hydraulické válce pro buzení vlastních kmitů listu se vyznačují silou deset i více tun, zdvihem v jednotkách metrů a rychlostí pohybu pístu několik metrů za sekundu. Takové vlastnosti splňují speciální konstrukce válců s hydrostatickým uložením pístnice. Řídicí elektronika umožňuje udržování zatěžovací frekvence odpovídající vlastní frekvenci listu i při změnách vlastností zkoušeného listu v průběhu testování a tím i při změnách jeho vlastní frekvence. Dalším namáhaným prvkem větrné elektrárny je ložisko, na kterém je větrník uložen. Tato ložiska mohou dosahovat v průměru až 3,5 metru a jsou namáhána osovými silami několika set tun. K tomu je třeba připočítat radiální síly až několik desítek tun. Věrohodnost zkoušek vyžaduje jejich provádění za obdobných podmínek, jak tomu je při provozu větrné elektrárny, kdy ložisko v průběhu provozu rotuje. V průběhu životnostní zkoušky je zajištěno přesné měření krouticího momentu – tření v ložisku. Při opotřebení ložiska se zvětšuje krouticí moment nutný pro rotaci ložiska. Ze zvětšování tohoto momentu lze usoudit opotřebení ložiska bez jeho demontáže. Uváděné aplikace elektrohydraulických zkušebních strojů a systémů jsou příkladem širokých možností jejich využití ve zdokonalování dynamických funkcí různých strojů a technických zařízení. Na obr. 1 je zkušební stroj pro tlumiče kolejových vozidel dodaný německé firmě ZF Sachs, na obr. 2 je zkušební stroj na kola a soukolí kolejových vozidel dodaný české firmě Bonatrans, na obr. 3 je zkušební stroj na podvozky kolejových vozidel dodaný německé firmě Thyssen, na obr. 4 je model zařízení na zkoušení ložisek větrných elektráren. Zařízení bude dodáno německé vysoké škole Fachhochschule Ingolstadt ještě letos. l Ing. Jiří Černohorský, DrSc.