Měření pomáhá řešit problémy v pokročilé vývojové fázi strojů

Fáze vývoje a testování prototypu stroje byla dnešní turbulentní dobou již téměř vytlačena. Krátké dodací lhůty a nízké rozpočty vývoje si vyžadují použití jiných flexibilnějších cest k optimalizaci konstrukčních uzlů. Většina důležitých komponent, či dokonce celé konstrukční celky, jsou dnes modelovány v sofistikovaných optimalizačních softwarech. Typickým příkladem je automobilový průmysl. Druhé nejrozšířenější průmyslové odvětví v ČR – výrobní stroje – nejsou v tomto smyslu výjimkou. Přesto se často stává, že ne všechny problémy lze předpovědět a eliminovat v konstrukční fázi vývoje stroje. Jde zejména o složité nelineární dynamické charakteristiky stroje, které závisí nejen na kvalitě konstrukčního návrhu, ale také na přesnosti výroby komponent a preciznosti montáže. Tedy na faktorech, které nemohou být dopředu predikovány. A právě tyto nedostatky byly dříve eliminovány v rámci testovací fáze prototypu stroje. Dnešní výrobci strojů často navrhují nové stroje na bázi podobnostních charakteristik dříve úspěšných strojů a doufají, že ony užitné vlastnosti předlohy se promítnou i do nově navrhovaného stroje. Tento postup však často nefunguje. V tuto chvíli nezbývá než podrobit vyrobený stroj pro čekajícího zákazníka urychlené analýze stavu, která rozhoduje o dalším postupu při odstraňování závady. Jednou z oblastí, kterou svým partnerům Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT) nabízí, je také měření a diagnostika. Naši výzkumní pracovníci se specializují na měření vlastností strojů a odhalování příčin neuspokojivého stavu či provozu stroje. Naší doménou jsou hlavně obráběcí stroje. Jak bude ukázáno na příkladech dále, široké letité zkušenosti a přístrojová základna nám dovolují řešit i problémy mimo naši hlavní specializaci. Silným nástrojem ve fázi testování stroje je měření dynamických charakteristik stroje, jako jsou např. vlastní frekvence stroje, jeho poddajnost, hodnota tlumení a charakter vlastních tvarů kmitů. Také rozbor příčinkových činitelů jednotlivých komponent stroje na jeho výslednou statickou tuhost může odhalit nejslabší článek stroje. Na základě těchto znalostí se konstruktér může soustředit na cílenou optimalizaci funkce komponenty stroje přímo na těchto vytipovaných místech konstrukce. V neposlední řadě odhalení vůlí ve strojních uzlech, způsobené nepřesnou výrobou nebo nepříliš precizní montáží, může být také slibným vodítkem pro případná konstrukční opatření. Následující tři příklady popisují úspěšná vyřešení počátečních problémů u různých strojů. VLASTNÍ TVARY KMITÁNÍ SKŘÍNĚ KOLEJOVÉHO VOZIDLA Výsledky měření byly experimentálně získány metodou modální analýzy, širokopásmovým buzením struktury elektrodynamickým budičem. Tvary kmitání umožňují vývojovým pracovníkům identifikovat dynamicky slabá místa konstrukce nebo verifikovat složité dynamické modely. Uvedený příklad zkušební laboratoře demonstruje schopnost provádět dynamická měření na rozměrných objektech, jako jsou třeba kolejová vozidla. Naší specialitou je i měření provozní modální analýzy. Zde není stroj uměle buzen obecnou silou ve vytipovaných místech (diskrétní frekvencí, rozmítanou sinusovkou nebo bílým šumem), ale budicí síly vznikají přímo provozem stroje, tedy jeho přirozenou funkcí. Metoda je nepoměrně rychlejší a výsledky jsou při správném provedení věrohodnější, než v případě použití klasické modální analýzy. MĚŘENÍ STATICKÉ TUHOSTI STROJŮ Druhý příklad se týká rozboru statické tuhosti frézky a rozpadu výsledné hodnoty tuhosti na příčinkové činitele jednotlivých konstrukčních uzlů. Zkouška probíhá zpravidla tak, že se do stroje ve zvoleném místě pracovního prostoru vnáší narůstající, přesně měřená síla. Pomocí elektronických úchylkoměrů je současně měřena deformace v několika vhodně zvolených místech. Úchylkoměry jsou upevněny na silově nezávislém rámu. Všechna data jsou ukládána v robustním měřicím zařízení, které je vybaveno specializovaným softwarem pro analýzu deformačních charakteristik a poddajností stroje. Pro referenční sílu je pak pomocí prostorového promítání vytvořen graf průhybových čar. V grafu je zobrazen rozklad celkové poddajnosti na příčinkové činitele jednotlivých dílů stroje, jež se na celkové deformaci stroje podílí. Z uvedeného grafu lze pak snadno odvodit histogram s vyjádřením nejslabších článků stroje. Z histogramu je pak zřejmé, na které části je nejvhodnější se zaměřit při snaze o ekonomicky efektivní zvyšování užitných vlastností testovaného stroje. VIBRACE NA OBĚŽNÉM KOLE VODNÍ TURBÍNY Vzhledem k podezření na drobné praskliny ve struktuře lopatkového kola turbíny vodní elektrárny bylo rozhodnuto o realizaci provozního měření vibrací za plného chodu turbíny tak, aby mohla být v případě potřeby objednána výroba nového lopatkového kola a v rámci časově omezené odstávky turbíny proběhla jeho montáž. Absolutní vibrace na oběžném kole byly měřeny laserovým vibrometrem skrze štěrbinový průhled s 8cm tlustým tlakovým sklem. Na obrázku zcela vlevo je zachyceno místo měření a instalace vibrometru. SHRNUTÍ VCSVTT nenabízí pouze podporu vývoje strojů v rámci experimentální fáze vývoje, ale soustřeďuje se také na udržení spolehlivosti a predikci možných poruch strojů v průběhu jejich provozu. Zaměřili jsme se v minulosti i na tvorbu diagnostických systémů a návrh automatizovaných zkušebních zařízení. Podrobnější nabídku naší akreditované zkušební laboratoře naleznete na stránkách www.rcmt.cvut.cz/zkuslab/cz. Ing. Petr Chvojka, Ph.D. Ústav výrobních strojů a zařízení ČVUT v Praze, Fakulta strojní