Nové poznatky Výzkumného centra Textil II v Liberci: PRO TEXTILNÍ PRŮMYSL A TEXTILNÍ STROJÍRENSTVÍ

Od roku 2005 probíhá 2. etapa „Výzkumného centra Textil“ Technické univerzity v Liberci a VÚTS, a. s. Liberec, ustanoveného Ministerstvem školství, mládeže a tělový chovy v rámci podpory vědy a výzkumu. Vysoká úroveň výzkumných a vývojových prací a konkrétních výstupů projektu VCT II je podložena úspěšným pokračováním v tradici a odborné fundovanosti pracovníků obou pracovišť v oblasti textilního průmyslu a textilního strojírenství. Jednotlivé úkoly na pracovišti VÚTS těsně navazují na konkrétní potřeby textilního průmyslu. Jsou zaměřeny především na netradiční aplikace s využitím nových poznatků v oblasti elektroniky, mechatroniky, netradičních materiálů, technologií a nových přístupů při konstrukci strojů. Koordinaci pracovišť VÚTS s fakultami textilní, strojní a mechatroniky zajišťuje TU Liberec prostřednictvím pravidelných oponentních jednání v jednotlivých sekcích. Jako příklad výsledků pracovišť ve VÚTS za poslední období můžeme uvést řadu nových řešení. NAVRH UPLNEHO DYNAMICKEHO VYVAŽENI TĚLESA S PERIODICKYM POSUVNYM NEBO ROTAČNIM POHYBEM A JEHO APLIKACE NA TEXTILNI STROJE Projekt se zabývá problematikou vyvažování mechanismů. Jeho hlavním cílem bylo úplné dynamické vyvážení těles s vratným posuvným nebo rotačním pohybem, které se projeví snížením silových účinků do rámu stroje a též snížením příkonu v ustáleném chodu mechanismu. Navržený princip tohoto vyvážení pro periodický posuvný pohyb a periodický rotační pohyb je zřejmý z obrázků. Vyvažované těleso 2 vykonává posuvný vratný periodický pohyb. S tímto pohybem je kinematickou vazbou (pomocí členů 5, 6, 7) spojen přesně protiběžný pohyb vyvažovacího tělesa 9. Každé těleso (2, resp. 9) je spojeno s listovou pružinou (3, resp. 8), které posuvný pohyb těles podporují. Podobně u rotačního vratného periodického pohybu vykonává pohyb vyvažované těleso 2. S tímto pohybem je kinematickou vazbou (pomocí ozubených kol 4, 7) spojen přesně protiběžný rotační pohyb vyvažovacího tělesa 10. Pohyb obou těles je opět podporován pružinou (5, resp. 9). Popsaný způsob zmenšení hnacího výkonu soustavy těles je předmětem podané patentové přihlášky. Pro ověření navrženého principu dynamického vyvážení byla zvolena soustava těles s rotačním vratným pohybem, který odpovídá kývavému pohybu bidlenu tkacího stroje. Simulační výpočty systémem MSC. ADAMS byly provedeny na modelu jednak s listovými pružinami, jednak s torzními pružinami. K experimentálnímu ověření účinnosti dynamického vyvážení byl zkonstruován a vyroben funkční model soustavy obsahující vyvažovanou hmotu, vyvažovací hmotu a torzní pružiny. Měření ukázala, že od cca 409 ot/min výše nastává pokles sil do podlahy u soustavy s vyvážením oproti soustavě bez vyvážení. Při růstu otáček nad hodnoty cca 400 ot/min je střední příkon vyvážené soustavy nižší než u soustavy bez vyvážení, poměr středních příkonů obou soustav dosahuje hodnoty 0,79 pro 460 ot/min, resp. 0,82 pro 512 ot/min. V rámci dvouletého pokračování projektu v letech 2010–2011 je řešena problematika hlučnosti rychlých řetězových převodů. U běžného řetězového převodu je řetěz přiváděn tečně na roztečnou kružnici řetězového kola a v okamžiku dosednutí článku řetězu na zuby řetězového kola se skokem změní jeho zrychlení. Tato změna zrychlení je příčinou rázů, které se projevují hlučností řetězových převodů. Cílem je pomocí speciálního vedení řetězu zajistit plynulé dosednutí článků na řetězové kolo, odstranit tak uvedený skok ve zrychlení a tím snížit hlučnost. Současně lze očekávat též zvýšení účinnosti řetězových převodů. METODIKA ŘIZENI MECHANICKYCH SYSTEMŮ SE ZAMĚŘENIM NA TEXTILNI STROJE Jedná se především o teoretickou práci z oboru aplikovaná mechanika, která zpracovává problematiku řízených mechanických systémů se zaměřením na textilní stroje, kdy se v mnoha případech jedná o nelineární systémy. V rámci této práce je též řešeno vyvažování setrvačných účinků obecných mechanických systémů s cílem dosáhnout snížení příkonu dané mechanické soustavy a jejího silového zatížení. Za tímto účelem bylo postupně vytvořeno velké množství matematických modelů, na jejichž základě byly analyzovány vlastnosti nově navrhovaných, případně modifikovaných, mechanických soustav. K jejich tvorbě bylo využito možností vzájemného propojení komerčně dostupných expertních systémů NX I-DEAS, MSC.ADAMS a MSC. EASY5. Tyto prostředky představují robustní nástroje v oblasti modelování, navrhování a řešení dynamických systémů. Pro objektivní popis analyzovaného objektu je nezbytné, aby byl matematicky modelován a řešen jako celek včetně jeho subsystémů: mechanického, elektrického, hydraulického, pneumatického, tepelného, atd., tedy byl vytvořen tzv. mechatronický systém. Tento požadavek vyplývá ze skutečnosti, že v praktické realizaci pracují všechny dílčí systémy společně a vzájemně se ovlivňují. Stěžejním předmětem projektu je tedy tvorba simulačních modelů mechanických soustav včetně jejich pohonu a řízení. Cílem je vyvinout metodiku, která by umožnila výpočetními simulacemi analyzovat chování a vlastnosti složitých nelineárních systémů. Jedním z možných postupů vytvoření simulačního modelu spojené soustavy je postup skládání abstraktních dynamických systémů s kauzální orientací vstup – výstup. Jednotlivé abstraktní dynamické systémy jsou nejčastěji popsány buď stavovým, nebo přenosovým popisem. Toto spojování je jednoduché, protože výstupy jednoho modelu jsou vstupy modelu druhého. Hlavním cílem sestavení modelu je stanovení časového průběhu dynamického chování soustavy, které spočívá v numerickém řešení vzniklé soustavy diferenciálních rovnic nebo soustavy algebro- diferenciálních rovnic. Dalšími z možných cílů je studium vlastností a chování daného systému simulacemi, návrh řízení zkoumané soustavy, samotný návrh daného systému, jeho optimalizace, atd. Komplexní řešení mechanického systému včetně jeho pohonu a regulace (mechatronický systém) umožní predikovat, hodnotit a modelově vyzkoušet všechny možné stavy chodu vznikajícího stroje nebo zařízení. Tím je možno vyhnout se nepředvídatelným situacím, které v praxi vývoj strojních zařízení podstatně zpomalují a prodražují. To přináší časové i finanční úspory. Modelování tedy patří k důležitým nástrojům inženýrského navrhování. Při pohybu těles vznikají síly dynamického původu, které se prostřednictvím reakcí přenášejí do rámu strojního zařízení. Mají nežádoucí účinky, jako např. způsobují přídavné namáhání, kmitání, hluk atp. Snížení setrvačných účinků mechanických soustav v rámci tohoto projektu bylo realizováno připojením vyvažujících subsystémů k vyvažované soustavě, přičemž tato problematika byla též řešena s cílem dosažení ustáleného chodu mechanických systémů s vyvažováním. Dosud nebyly přechodové děje u mechanických systémů s vyvažováním uspokojivě vyřešeny. Samotný vyvažující subsystém je sestaven ze setrvačné hmoty Ji, která je prostřednictvím pružného prvku připojena k vyvažovanému mechanickému systému, a samotného pružného prvku kti. Pohyb vyvažovacího tělesa, které je uloženo na rámu stroje, je protiběžný k pohybu tělesa vyvažovaného. Cílem takto realizovaného způsobu vyvažování je snížení, resp. úplné potlačení, dynamických účinků hmotného tělesa o momentu setrvačnosti I s periodickým vratným pohybem tak, že příkon pohonu se zmenší a dále dojde ke snížení silového zatížení celé mechanické soustavy. Především samotný průběh rozběhu a ustálení mechanické soustavy s vyvažováním na pracovní frekvenci je klíčový ke správné funkci takového zařízení. Například v případě textilních strojů je z hlediska výrobně technologických důvodů kladen požadavek na velmi razantní rozběh. Matematické analýzy vedly k návrhu zkušebního zařízení, na kterém se v současné době testuje chování a vlastnosti mechanického systému s vyvažováním. Na způsob rozběhu a dosažení ustáleného chodu strojního zařízení s vyvažováním na pracovní frekvenci byla podána patentová přihláška. ANALYZA MECHANISMŮ VYROBNICH STROJŮ Při výpočtech a vyhodnocování v oblasti analýzy mechanismů výrobních strojů se nově pracuje se simulačním softwarem MathModelica, který je přímo integrován s vynikajícím výpočetním programem Mathematica firmy Wolfram Research. Soustava těchto programů vyplňuje mezeru mezi komplexními výpočetními systémy postavenými obvykle na bázi metody konečných prvků a běžnými simulačními systémy vycházejícími z programátorovy schopnosti zadat složitou fyzikální realitu co nejjednodušším vývojovým diagramem. Systém MathModelica umožňuje názorné a rychlé grafické modelování úloh popsaných vnitřně diferenciálními a algebraickými rovnicemi. Grafické rozhraní je podobné tomu, které se používá např. v široce používaném programu Simulink (Matlab). Na rozdíl od klasických simulačních systémů však MathModelica využívá principů tzv. akauzálního modelování, jejichž podstata spočívá v možnosti popisovat jednotlivé části modelu přímo jako soustavu rovnic, nikoli jako algoritmus řešení těchto rovnic. Výpočet, který je úlohou kompilátoru, neprobíhá pouze jedním zadaným směrem jako u běžného kauzálního programování, kde pro jiný směr musí být jiný program. Místo výpočtu nového kroku jednoho elementu se hledá vyvážený stav jako řešení celého systému, který může interně obsahovat i tisíce rovnic. ING PAVEL ŽIŽKA