Zkušebnictví ve strojírenství

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.