Jaký pokrok přineslo moderní zkušebnictví
do výzkumu, vývoje
a produkce významných strojírenských
výrobků dokládá příklad.
V americkém podniku Henryho
Forda byla v roce 1908 zkoumána spolehlivost
funkce jeho nejvýznamnějšího
automobilu Ford T nepřetržitou
jízdou tří těchto automobilů v terénu
po dobu přibližně 6 měsíců. Úspěchem
tohoto experimentu byl povel k zahájení
sériové výroby 10 000 zmíněných
automobilů. V současné době s využitím
elektrohydraulické ho zkušebního
systému by taková zkouška v laboratoři
trvala přibližně 4 dny.
Při optimálním navrhování mechanických
konstrukcí letadel, automobilů
a dalších strojů s co nejmenší hmotností
a s vhodnými konstrukčními materiály
je zásadním problémem docílit
odstranění kritických míst, která mohou
v provozu z pevnostních důvodů
ohrozit spolehlivost konstrukčních řešení
a jejichž odstranění zvýší technickou
úroveň zkoušených objektů.
Tyto návrhy vycházejí ze shody počítačového
modelování a experimentů.
Praxe prokázala, že nikoli počítačový
model, ale experiment s metrologickým
charakterem prokazuje skutečný charakter
zkoumaného výrobku. Poskytuje
většinu jinak nedostupných dat o jeho
namáhání. Samozřejmým předpokladem
je, že při těchto experimentech je
třeba poznat provozní namáhání mechanické
konstrukce výrobku a možnosti
jejího přetížení v provozu.
Světový trh pro výrobky druhé kategorie
zmizel. Na světový trh má smysl
přicházet jen s výrobky první kategorie
s předpokladem, že jejich vlastnosti
důležité pro provoz se vyrovnají konkurenčním
výrobkům, nebo že je předčí,
že srovnatelná je cena nabízených
výrobků a jejich údržba po určitou dobu
provozu.
VYUŽÍVÁNÍ
ELEKTROHYDRAULICKÝCH
ZKUŠEBNÍCH STROJŮ A SYSTÉMŮ
V padesátých letech minulého století
byl úspěšně dokončen vývoj hydromotoru
jako zdroje řízeného přímočarého
a torzního kmitání. Zpočátku
jednokanálové zatěžování vzorků
konstrukčních materiálů a součástek
bylo po získání určitých zkušeností
a s využitím pokroků v elektronice
rozšířeno na systémy pro vícekanálové
zatěžování strojů, zejména automobilů
a menších letadel. Byla zahájena éra
simulace jejich provozního zatěžování
měřeného v dynamické zkušebně
především kovovými tenzometry,
senzory kmitavého pohybu a případně
i sil. Jejich měřicí signály jsou přivedeny
k rychlé měřicí ústředně tvořící
součást EH systémů. Ve výpočtových
a konstrukčních odděleních podniků je
aktualizováno měření mechanických
namáhání kritických míst zkoumaných
konstrukcí při provozním, nebo i vyšším
zatížení. Jsou získávány relevantní
podklady pro efektivnější dimenzování
zkoušených výrobků.
Zkoušené objekty jsou dynamicky
složité, vykazují řadu vlastních frekvencí,
nelineární tlumení a výrazné interakce
mezi jednotlivými řídicími složkami
zatěžovacího systému. Tyto i další vlivy
jsou zohledněny vytvářením syntetických
signálů odvozených ze zadaných
parametrů provozního zatěžování zkoušeného
objektu na určených místech
konstrukce přímo za provozu v reálném
prostředí. Funkce všech hydromotorů
jsou programovány nezávisle. Syntézu
řeší číslicově řízená smyčka realizovaná
počítačem. Výpočet se děje pomocí
Fourierových spekter časových signálů.
Vlivy nelinearit jsou kompenzovány
iteračním algoritmem.
FUNKCE ELEKTROHYDRAULICKÝCH
ZKUŠEBNÍCH STROJŮ A SYSTÉMŮ
Elekrohydraulické (dále EH) zkušební
stroje a systémy fungují jako
elektromechanické servomechanismy.
Jsou zdrojem energie pro přesné zatěžování
zkoumaných objektů.
EH stroje pro zkoušky vzorků konstrukčních
materiálů zatěžují objekt
jedním hydromotorem (tah/tlak, krouticí
moment), nebo dvěma až třemi
hydromotory při kombinovaném
zatěžování (nejčastěji ohyb a krut).
EH zkušební stroje s hydromotorem
přímočarého pohybu jsou definovány
jako zdroje přesné translační síly
o velikosti několika kN až desítek MN
ve frekvenčním rozsahu od 10–3 Hz
až do 1 kHz při amplitudě zatěžování
až několik desítek mm. EH stroje
s torzním hydromotorem jsou definovány
jako zdroje přesného krouticího
momentu v rozsahu jednotek až desítek
kNm s úhlem torzního pohybu
+/–50?? ve frekvenčním rozsahu do 150
Hz. Zkoumané objekty lze zatěžovat
i v klimatických komorách např.
v rozsahu teplot –70 ??C až 900 ??C,
případně i v definovaném agresivním
prostředí. Rozlišitelnost řídicí veličiny
(síly, dráhy, poměrné deformace, krouticího
momentu) je limitována především
metrologickými charakteristikami
senzorů. Programy zatěžování jsou
nyní převážně řízeny prostřednictvím
počítačů a vhodných programových
prostředků. Rozšířila se standardní
stavba zkušebních strojů pro kombinované
namáhání. Základní výzkum
prokázal, že dříve neuvažované složky
kombinovaného namáhání téměř zanedbatelné
velikosti mohou být příčinou
např. vzniku a šíření trhlin.
EH systémy pro dynamické zkoušky
strojů a jejich částí nejsou standardně
vyráběny, ale sestavovány ze standardních
dílů rozsáhlého stavebnicového
systému, kterým disponuje jen několik
světových výrobců. Nejznámější
v Česku je společnost Instron
Structural Testing Systems (nejdříve
Carl Schenck), jejíž EH zkušební
systémy a stroje jsou v Evropské unii
nejpoužívanější. Shoda experimentů
s výsledky výpočtového modelování
ověřuje chování reálných mechanických
soustav. Nejčastěji upřesňuje
správnost výpočtového modelování.
EH systémy jsou vybaveny potřebným
počtem hydromotorů simulujících
dynamické zatěžování zkoušených
strojů. V procesu zatěžování jsou
měřeny poměrné deformace, zrychlení
nebo síly na potřebných místech.
Na EH systémech se měří i modální
analýza zkoumaných objektů, odhalující
rozložení vlastních frekvencí mechanických
konstrukcí strojů. Jejich
velikost, tlumení a nelineárnost. Při
dynamických zkouškách kosmických
dopravních prostředků je měřeno mechanické
namáhání ve zkušebním prostoru
vysokého vakua, které umožňuje
zatěžovat zkoumaný objekt při současně
působícím vysokém spádu teploty.
Koncem šedesátých let se začíná prosazovat
využití počítačů pro číslicové řízení
zatěžovacích procesů, které zrychluje
průběh experimentu. To umožňuje
automaticky zpracovat ohromné množství
dat a řídit současné zatěžování
na více místech podle individuálních
zatěžovacích programů. Z té doby jsou
známé rozsáhlé zkoušky dopravního
letadla Concorde za letu. Kovovými
tenzometry bylo měřeno namáhání jeho
trupu a křídel na několika tisících místech.
Jejich měřicí signály pak byly telemetricky
přeneseny k Zemi a tam číslicově
zpracovány. U soudobých rozměrných
dopravních letadel zatěžuje jejich
konstrukci i více než 150 hydromotorů.
Automobily jsou zatěžovány čtyřmi až
šestnácti hydromotory. Je zřejmé, že
na činnost pracovníků zabývajících se
prakticky i teoreticky experimenty zaměřenými
na zvyšování mechanických
vlastností zkoumaných konstrukcí strojů
jsou kladeny vysoké požadavky.
EH STROJE A SYSTÉMY INOVA
Je třeba se zmínit o menším podniku
INOVA z Prahy, ve kterém se vedle
klasických EH strojů a systémů vyvíjejí,
vyrábějí a z větší části exportují
do států Evropské unie i do zámoří
specializovaná EH zkušební zařízení
pro testování mechanických dílů automobilů,
letadel, kolejových vozidel
a výrobků v dalších oborech. Firma
pokrývá potřeby zákazníků testováním
a měřením jednotlivých částí strojů pro
univerzální použití ve strojírenském
zkušebnictví. Vývojem specializovaných
zkušebních strojů vyhovuje konkrétním
požadavkům zákazníka. Mezi
poslední zakázky patří stroje pro testování
podvozkových částí automobilů.
Některá z testovacích zařízení jsou vybavena
teplotní či jinou simulací, vystihující
správné uspořádání zkoušky.
Další skupinou jsou zkušební stroje
testující podvozky vysokorychlostních
vlaků, tedy namáhání náprav a kol
za rotace. Firma dodává technologie
pro statické a dynamické testování listů
a ložisek větrných elektráren. Řídicí
systém zkušebních zařízení INOVA
nové generace EU3000 a software
TestControl zajišťují svou přesností
spolehlivé a jednoduše ovladatelné
prostředí k definici testů a měření pro
široké spektrum uživatelů. Zkušební
zařízení určená pro potřebu zkoušek
konkrétního výrobku potvrzují stoupající
zájem v tuzemsku i v zahraničí
o speciální zkušební zařízení INOVA.
ZÁVĚR
V České republice jsou větší dynamické
zkušebny často s víceletým provozem
EH systémů v podnicích: Škoda
Auto Mladá Boleslav, VZLÚ, Škoda
Výzkum Plzeň, Tatra Kopřivnice,
Výzkumný ústav železniční Cerhenice.
Činnost zahájily zkušebny s EH systémy
na ČVUT Praha a na VUT Brno. Malé
zkušebny s EH systémy jsou v TRV
DAS Dačice, na TU v Pardubicích
a v ZKL Brno. V České republice působí
více než 20 zkušeben vybavených EH
stroji pro zkoušky konstrukčních materiálů
a součástek. Patří mezi ně zkušebny
v organizacích: VUM Běchovice,
Monroe Boskovice, STOS Oslavany,
BRANO Jablonec, ŠKODA Motosport,
Rubena Náchod. Existují i další naše
zkušebny vybavené EH stroji orientované
převážně na spolupráci s výzkumem,
nikoli s výrobou. Díky našemu
leteckému a automobilovému průmyslu
je činnost většiny našich dynamických
zkušeben na současné světové úrovni.
Soutěž o konkurenceschopnost
na světovém trhu závisí na rychlém
tempu zdokonalování našich strojírenských
výrobků s důrazem především
na jejich bezpečnost, komfort a životnost
a snížení energetické náročnosti
a na využívání moderní elektroniky
a senzorů k automatizaci jejich funkcí.
Tato soutěž probíhá v celém technicky
vyspělém průmyslovém světě. Jen
v Evropské unii je v činnosti více než
50 velkých dynamických zkušeben.
Je na našem strojírenském výzkumu
a vývoji (případně vhodně podpořeném
vládními dotacemi), jak se bude dařit
České republice zvyšovat produkci
a export našich strojírenských výrobků
na světovém trhu.
Ing. Jiří Černohorský, DrSc.