TÉMA
BLUDY, OMYLY A POLOPRAVDY V KOROZI KOVŮ
Abych se vyhnul moným výhradám dotčených autorů a šiřitelů, nebudu úmyslně citovat konkrétní informační zdroje bludů,
omylů a polopravd o korozi kovů. S řadou pochybných znalostí, souvisejících s korozí kovů, se setkávám i u posluchačů,
kteří si je přinášejí z předchozího školního vzdělání nebo z literatury.
TEXT PROF. ING. PAVEL NOVÁK, CSC., ÚSTAV CHEMICKÉ TECHNOLOGIE RESTAUROVÁNÍ PAMÁTEK, VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE FOTO ARCHIV REDAKCE
K
pochopení principů korozních procesů v elektrolytech je třeba mít správnou představu o významu základních
elektrochemických termínů. Patří mezi ně pojmy „anoda“ a „katoda“. Na otázku, co je to anoda, dostávám velmi často odpověď: „je to kladná
elektroda“ nebo „elektroda, na které probíhá oxidace“. To je ale téměř stejná polopravda (lze ji
najít v mnoha publikacích), jako když řeknu, že
„anoda je záporná elektroda a probíhá na ní redukce“.
Pavel Novák
ANODA? KATODA?
Když se na kovové elektrodě ustaví rovnovážný
nebo smíšený (samovolný korozní) potenciál,
tak elektrodou žádný vnější proud neprochází,
6
protože rychlost anodického děje (oxidace) je
stejně velká, jako rychlost katodického děje
(redukce). Rychlost uvolňování elektronů oxidační reakcí je stejně velká, jako rychlost spotřeby elektronů redukční reakcí. O anodě nebo katodě má smysl mluvit až v případě, když
je taková elektroda vodičem elektronů spojena buď s jinou elektrodou v tomtéž elektrolytu, nebo je polarizována ze zdroje stejnosměrného proudu pomocí další pomocné
elektrody. V prvém případě se jedná o samovolně fungující galvanický článek, ve druhém
o článek elektrolytický (elektrolyzér). Potenciál naší elektrody se pak v případě galvanického
(bimetalického) článku posunuje k potenciálu
připojené elektrody a v případě elektrolyzéru
se potenciál mění podle toho, zda je elektroda
připojena k plus nebo minus pólu zdroje. Tím
dochází k polarizaci elektrody, v případě změny potenciálu kladným směrem se, pokud nedojde k pasivaci, urychluje anodický děj, zatímco se potlačuje děj katodický, a naopak. Při
poměrně mírné polarizaci, a o tu většinou při
korozních procesech jde, se potlačovaný děj
nezastaví, je pouze pomalejší než děj opačný. Oba děje (anodický i katodický) tedy probíhají jak na anodě, tak na katodě, ale různou
rychlostí. Anodu charakterizuje, že na ní převládá anodický (oxidační) děj, katodu, naopak,
převládající děj katodický (redukční). Polarita elektrod je závislá na tom, zda pracuje článek samovolně (anoda je v tomto případě záporná), nebo se jedná o děj vynucený proudem
z vnějšího zdroje (anoda bude v tomto případě
kladná) a budou z ní nuceně odváděny elektrony. V souvislosti s průchodem proudu elektrolytem v článcích dochází k transportu iontů.
Ke které z elektrod budou složky elektrolytu
(anionty, resp. kationty) putovat (migrovat), se
velmi často vysvětluje tím, že „kladně nabitý
kation je přitahován na katodu, protože je záporně nabitá a záporně nabitý anion na anodu,
protože je kladně nabitá“.
To je ale nesprávné vysvětlení, protože kation jde ke katodě i v případě, že je v bimetalickém článku kladně nabitá a anion na anodu
nabitou záporně. Skutečnou příčinou migrace
iontů k elektrodám je pohyb do míst elektrolytu, kde je tendence k přebytku opačného náboje, což vyplývá z podmínky elektroneutrality v elektrolytu. Anionty putují k anodě (ať je
kladná nebo záporná), protože zde jsou v důsledku převládajícího anodického děje (oxidace) do elektrolytu dávkovány kationty, případně zde ubývají anionty a, naopak, kationty
putují ke katodě, neboť je zde v elektrolytu
tendence k přebytku záporného náboje z převládajícího katodického děje.
ELEKTROCHEMICKÉ BLUDY
Jedním z častých elektrochemických bludů je
ten, že „při elektrolýze chloridu sodného se na
katodě nejdříve vyloučí sodík, který ihned reaguje s vodou za vzniku vodíku“. Tato nesprávná úvaha nebere v úvahu, že sama voda je elektrolýzou rozkládána (na katodě se z ní vylučuje
ENGINEERING.SK
vodík) a vylučování velmi neušlechtilých kovů, jako je sodík, draslík, hořčík, hliník, titan je
z vodného prostředí nemožné. Daří se to pouze
z nevodných elektrolytů (např. tavenin). V případech, kdy lze z vodného roztoku vyloučit neušlechtilé kovy, např. mangan, zinek a chrom,
děje se to pouze díky jejich relativně malé neušlechtilosti a díky vodíkovému přepětí.
Matoucí bývá také označení běžných elektrických baterií za „zinko-uhlíkový článek“. Uhlík
slouží v těchto typech baterií pouze jako sběrač elektronů, skutečným materiálem katody
je burel (MnO2), který se redukuje. Články zinek (anoda) – burel (katoda) jsou nejběžnějšími
primárními galvanickými články, označovanými podle způsobu provedení jako „zinko-uhlíkový“, „zinko-chloridový“ nebo alkalický.
Často je také používáno zjednodušené tvrzení,
že „anodická polarizace vede ke zvýšení korozní rychlosti kovu, zatímco katodická polarizace vede ke snížení korozní rychlosti kovu“. To,
samozřejmě, není pravda v případech, kdy anodickou polarizací dojde k pasivaci kovu (toho
využívá anodická ochrana), případně katodickou polarizací dojde k aktivaci původně pasivního povrchu. Při polarizaci v neutrálních vodných elektrolytech je rovněž třeba brát v úvahu
i změny hodnoty pH katolytu, tj. u katodicky
polarizovaného povrchu. Takové změny mohou
mít za následek např. tzv. katodickou korozi hliníku nebo katodickou pasivaci oceli.
Ani tvrzení, že „v korozním článku koroduje vždy rychleji anoda,“ nemusí být pravdivé.
Tento omyl vyplývá z nesprávného pochopení
pojmu anoda, resp. katoda. Článek s diferenční
aerací s průběžnou výměnou elektrolytu je toho
dokladem; ovzdušňovaná ocelová katoda koroduje rychleji než neovzdušňovaná ocelová anoda. Ve skutečnosti ale k výměně elektrolytu většinou nedochází, a pak skutečně ocelová anoda
koroduje rychleji než zapasivovaná katoda.
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 6/2013
KOROZNÍ DEMONSTRACE ŠVINDLUJE
Článek s diferenční aerací se obvykle demonstruje tzv. Evansovým kapkovým pokusem. Tato velmi rozšířená korozní demonstrace ale
vlastně švindluje. Na ocelový plech je při ní nanesena kapka roztoku chloridu sodného s indikátory pH a železnatých iontů. Po okrajích
kapky dojde k zbarvení, které dokazuje, že hodnota pH roste, uprostřed kapky dochází k indikaci vzniku Fe2+. Má to být důkaz, že místa na
okrajích jsou snadno dostupná pro kyslík, proto je zde katoda a roztok se alkalizuje, uprostřed, kde je málo oxidovadla, je anoda. Problém je, že jako indikátor železnatých iontů je
v Evansově pokusu používán hexakyanoželezitan, který sice indikuje zmodráním vznik železnatých iontů, ale sám má také oxidační účinky.
Pokud nanesete kapku solného roztoku z okraje a nikoli na střed vymezené plochy, vznikne
modré zabarvení na okraji. Kapkový pokus může správně demonstrovat článek s diferenční
aerací, ale musíte použít neoxidující indikátor
železnatých iontů (např. 2,2-bipyridil), pak se
skutečně projeví vliv různého ovzdušnění (diferenční aerace).
Termín „elektrochemická koroze je často chápán pouze jako důsledek činnosti bimetalického článku a chemická koroze jako důsledek expozice jednoho kovu v elektrolytu“. »
» K elektrochemické korozi kovu v agresivním
elektrolytu dochází vždy a nezáleží na tom,
zda je to v důsledku činnosti článku, či nikoli. Odlišnost mezi elektrochemickou a chemickou korozí je pouze v anonymitě předání elektronu mezi kovem a oxidovadlem, což je dáno
tím, že dílčí anodická a katodická reakce nemusí při elektrochemické korozi probíhat na
tomtéž místě povrchu elektrody. V případě velmi vzácné „chemické koroze“ se musí potkat
atom kovu s oxidující látkou přímo. Za chemickou korozi bychom např. mohli pokládat interakci molekuly kyslíku s atomem železa při
tzv. vibrační korozi. Elektrochemickou korozí
je nejen koroze kovů v elektrolytech (včetně atmosférické koroze), ale i interakce kovu a plynu
za vysokých teplot při vzniku tuhých reakčních
produktů, často nesprávně označovaná za chemickou korozi.
Zjednodušující úvahy předpokládají, že „mírou
korozní odolnosti kovů je jejich umístění v tzv.
Beketovově (elektrochemické) řadě rovnovážných potenciálů“. Tato řada je sice měřítkem,
jak snadno lze kov zoxidovat v aktivním stavu, ale protože korozní odolnost většiny technických kovů je založena na pasivovatelnosti, je
poloha kovu v této řadě špatnou informací pro
jeho korozní odolnost. Například titan je v Beketovově řadě podstatně méně ušlechtilý než
železo.
Mnoho omylů a bludů je spojeno s katodickou
protikorozní ochranou. Už konstatování, že
„katodická ochrana je posun potenciálu uhlíkové oceli do oblasti imunity“ je velmi vzdálené »
7
TÉMA
» realitě, ve skutečnosti je to buď potlačení
rychlosti anodického rozpouštění v aktivním
stavu na přípustnou míru, nebo katodická pasivace. Dogmatem se pro některé „odborníky“ stala také hodnota tzv. Khunova ochranného potenciálu a z toho plynoucí závěr, že
„když je ochranný potenciál kladnější než – 850
mV (CSE), uhlíková ocel není chráněna“.
Často se v případě katodické ochrany ignoruje
její omezená hloubková účinnost, která je závislá
na geometrii chráněného zařízení, na geometrii
elektrolytické cesty a na konduktivitě elektrolytu. Nesmyslné nápady, že „lze katodicky chránit
dutiny karoserie automobilů katodickou polarizací z akumulátoru“ nebo „katodická ochrana
vnějším zdrojem proudu proti atmosférické korozi oceli“ jsou toho projevem. Sem také patří
i často zcela zbytečná instalace hořčíkových obětovaných anod do boilerů s pitnou vodou a rovněž dávno vyvrácené představy, že „zinek v nátěrové hmotě působí jako obětovaná anoda“.
Stává se také, že ochrana obětovanou anodou je chybně pokládána za anodickou ochranu. S hloubkovou účinností katodické polarizace také souvisí některé nesmyslné návrhy na
„elektrochemické odsolování zkorodovaných
kovových archeologických nálezů“ podle hesla
„anionty jdou na anodu“. Zkorodované archeologické nálezy jsou umístěny do katodicky polarizovaného kovového držáku v domnění, že
neplatí ani Kirchhoffovy zákony, ani není třeba k nezkorodovanému kovovému jádru přivést
proud vodičem elektronů.
„NEREZI“ REZIVÍ!
Ve všeobecném povědomí je na vrcholu „obecné“
korozní odolnosti, spolu se zlatem, titan. Jedná
se sice o velmi neušlechtilý, ale zato velmi snadno pasivovatelný kov. Z toho ovšem také plyne, že chemické, mechanické či katodickou polarizací způsobené porušení pasivity titanu vede
k jeho velmi intenzivní korozi. Obchodníci zneužívají dobrou pověst titanu např. v tzv. „titanzinku“, vydávajíc někdy tento materiál za neobyčejně korozně odolný. Přitom je obsah titanu
v této slitině pouze v desetinách procenta a jeho obsah na korozní odolnost zinku nemá prakticky žádný vliv. Vliv titanu (a mědi) je pouze na
snadnější tvářitelnost zinkových plechů. Korozní
odolnost „titanzinku“ je se všemi ctnostmi i nectnostmi srovnatelná se běžným zinkem.
Zinek je často úspěšně používán jako protikorozní povlak uhlíkové oceli. Bohužel ale také
zcela nevhodně na rozvody horké vody a někdy
i v případech, kdy součástí okruhu jsou měděné části. Vede to k častému a dávno známému
koroznímu selhání se známými příčinami, což
ovšem nebrání tomu, aby to bylo opakovaně řešeno jako aktuální výzkumný problém.
Mnoho nejasností je spojeno s korozním poškozením korozivzdorných ocelí. Pro málo informované je překvapující, že korozivzdorných
ocelí je asi 200 různých typů a jejich korozní odolnost je velmi rozdílná. Řada lidí se diví,
že „nerezi“ reziví. Hlas z lidu praví: Pravá nerez
skutečně nerezaví, jenže to, co je dnes na trhu,
je převážně nekvalitní a ošizený šmejd a brak
z Asie, která sice zdařile kopíruje, ale kašle na
normy, autorská práva a zákony nejen právní, ale jak vidno, i fyzikální. Přitom z historie
jsou známy i příklady, jež vydržely až 1 600 let,
viz:„Nerezavějící“ sloup v Indii v Dillí, svářkové
železo, stáří 1 600 let. Der Eiserne Mann v Německu u Bonnu, šedá litina, stáří 380 let.
Termín korozivzdorná ocel (nerez) je vyhrazen
pouze pro slitiny železa a chromu s minimálním
obsahem 12 %. Pokud železo (uhlíková ocel, litina, svářkové železo) v některých prostředích nerezaví, neznamená, to že se jedná o nerez. Korozní problémy s korozivzdornými ocelemi (např.
jejich rezavění) jsou většinou spojeny buď s nesprávnou volbou typu oceli, nebo s nesprávnou
technologií zpracování nebo úprav povrchu.
MEZIKRYSTALOVÁ KOROZE
Českou specialitou je, že se stále traduje, že „nejvýznamnějším korozním poškozením korozivzdorných ocelí“ je mezikrystalová koroze. Je to fáma,
protože tento typ nerovnoměrné koroze je dávno
ve většině případů vyřešen. Také korozní zkoušky na citlivost k mezikrystalové korozi jsou někdy
chybně pokládány za univerzální k určení „obecné“
korozní odolnosti korozivzdorných ocelí.
Korozní produkty z kovových biomateriálů jsou
často vydávány za nebezpečí pro lidský organizmus. Do této skupiny patří tvrzení, že „používání dentálních amalgamů je velmi nebezpečné
pro otravu lidského organizmu rtutí“. Odhlédneme-li od toho, že rtuť se uvolňuje z amalgámů nikoli korozním procesem, je rychlost,
s jakou je dávkována z amalgámových zubních
výplní do organizmu velmi malá. Podle údajů
WHO se za tolerovatelnou denní dávku anorganické rtuti považuje množství 2 μg/kg hmotnosti. Expoziční dávka rtuti zjišťovaná v ČR je
velmi malá a představuje pro českou populaci
maximálně 2,5 % standardu WHO. Odhaduje
se, že z jedné zubní výplně se může za den uvolnit kolem 15 μg rtuti. Denní příjem rtuti, pocházející z amalgamových výplní, se pohybuje mezi
1,2 – 27 μg, což může i při velmi malých dávkách
rtuti z jiných zdrojů, představovat až 50 procent
denní zátěže organizmu rtutí.
Za problém biomateriálů je pokládáno i tvrzení,
že „koroze endoprotéz z korozivzdorných ocelí
je nebezpečná z hlediska dávkování chromu do
organizmu“.
(Příspěvek byl přednesen na 39. konferenci „Projektování
a provoz povrchových úprav“ v Praze.)
8
ENGINEERING.SK
Vážnost tohoto tvrzení nebyla nikdy prokázána, protože korozním produktem je oxidační stupeň (mocenství) chromu plus tři. Chrom
v tomto oxidačním stupni patří mezi stopové
prvky zúčastněné v metabolismu člověka. Naopak, nedostatek chromu může vyvolat zdravotní problémy. Hlavním zdrojem chromu je čerstvá strava a pivní kvasinky. Chrom v oxidačním
stupni plus tři je zdraví prospěšný, samozřejmě,
jen do určitého množství, při vyšších dávkách
může být i zdraví škodlivý. Toto podezření se
určitě hodí výrobcům keramických dílů endoprotéz. Za přiměřenou denní dávku chromu se
považuje množství 50 až 200 μg, přičemž korozí z jedné endoprotézy z korozivzdorné oceli se
při maximální korozní rychlosti 0,1 μm za rok
může za den uvolnit jen 0,5 μg.
dlouhodobou korozní stabilitu ocelové výztuže
v atmosféricky exponovaném betonu“, také patří
do oblasti neseriózních korozních informací. Výrobci a prodejci přikládají svým látkám (migrujícím inhibitorům) jakési nadpřirozené vlastnosti, které je neomylně přivedou ke korodujícímu
povrchu. Hnací síla transportu tzv. „migrujících
inhibitorů“ je především gradient koncentrací
(difúze) a případně tok v důsledku kapilárních
sil. Migrující korozní inhibitory nemigrují v odborném elektrochemickém slova smyslu a určitě nic nehledají. To, že se na některých místech
dostanou až na povrch kovu, je spíše náhoda. Ani
vypařovací inhibitory nemohou v pórovém systému betonu dlouhodobě snižovat korozi, a to
vzhledem k jejich snadnému odpařování.
NÁTĚROVÉ HMOTY – BLUDY A OBCHODNÍ TRIKY
HLINÍK A MĚĎ JSOU V TOM NEVINNĚ
Do skupiny poplašných zpráv patří i tvrzení, že „koroze hliníkového nádobí způsobuje Alzheimerovu
nemoc“. Rozhodně je to v rozporu s vysokou korozní stabilitou hliníku v neutrálních vodných roztocích a se skutečností, že člověk je v kontaktu s látkami s obsahem hliníku od svého vzniku. Také
běžné používání antacid s vysokým obsahem hliníku svědčí proti vině hliníkového nádobí. Určitě se
ale toto podezření líbí výrobcům nádobí z korozivzdorných ocelí. Výrobci zařízení pro energetické
i běžné rozvody vody je šířena informace, že „měď
je nejlepší materiálové řešení“. Může to být, ale za
podmínky, která často není splněna, že voda neobsahuje kyslík, nebo že měděné potrubí následuje ve
směru proudění vody až po ocelovém.
S mědí je spojena také další přežívající pověra, že
„patina vzniklá na mědi v atmosféře je uhličitan
měďnatý“. V našich podmínkách je to ale nejčastěji
zásaditý síran měďnatý (brochantit, antlerit).
OCELOVÉ VÝZTUE BETONU
Korozní bludy jsou spojeny také s ocelovými výztužemi do betonu. Jednak sem patří nepravdivé
tvrzení, že „zkorodovaná výztuž v betonu drží lépe“. V případě silněji povrchově zrezivělé výztuže
navíc nelze po zabudování zajistit ani v čerstvém
betonu maximální přijatelnou korozní rychlost 1 až 2 μm za rok. Tvrzení, že tzv. „migrující korozní inhibitory v betonu hledají železo“ nebo že tzv. „vypařovací inhibitory mohou zajistit
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 6/2013
Mnoho nepřesných údajů až bludů a obchodnických triků je spojeno i s protikorozními nátěrovými hmotami. Patří sem nabídka nátěrových
hmot, která vás ujišťuje, že „ocelový povrch není
třeba pod nátěr zbavit rzi“. Nepochybně mezi ně
patří i dobré nátěrové hmoty, ale tvrzení, že jsou
„přímo na rez“, cílí především na vaši lenost, rozumným důvodem je nemožnost zajistit v amatérských podmínkách povrch zcela zbavený rzi.
Takový povrch je totiž nejlepší pro všechny nátěrové hmoty, i ty „přímo na rez“. O bludu, že částice zinku v nátěrové hmotě působí jako obětovaná
anoda, jsem se zmiňoval již výše. Ve skutečnosti je
účinek zinku v tomto případě destimulační.
Jak dalece je pravdivé tvrzení, že bezkonkurenčně nejlepší je zakazovaný suřík, nemohu jednoznačně posoudit, ale tvrzení, že „žádné jiné
(rozuměj mimo suříkové) dobré protikorozní
nátěrové hmoty neexistují,“ pokládám za blud.
Do natěračské latiny také patří tvrzení, že „pozinkovaný plech je třeba před nátěrem nechat
zoxidovat“. To obvykle skončí tím, že už to nikdo nikdy nenatře. V současné nabídce nátěrových hmot jsou jistě takové, které mají dobré
ochranné vlastnosti a lze je úspěšně nanášet na
nový čistý odmaštěný pozinkovaný plech.
Traduje se také, že „litina má větší korozní odolnost než uhlíková ocel“. Takový dojem je většinou
způsoben tím, že litinový výrobek má obvykle
větší tloušťku stěny (trubky, radiátory), a přispívá k tomu i to, že na povrchu litinového výrobku
bývá z výroby magnetitová vrstva, která korozi
dočasně omezuje. I litinové povrchy je třeba pro
dlouhodobou expozici ve vnějších atmosférických
podmínkách chránit před korozí povlaky.
Někdy se také setkáme se zjednodušujícím závěrem, že „železo ve vodě bez kyslíku nekoroduje“. Ve skutečnosti železo ve vodě bez kyslíku
koroduje za vylučování vodíku z rozkladu vody,
ale korozní rychlost nepřevyšuje 10 μm za rok,
což je pro běžná technická zařízení zanedbatelná korozní rychlost. Nezanedbatelná je ovšem
např. pro kontejnery jaderného odpadu, které
mají vydržet více než 100 tisíc let. V takovém
případě by byl korozní úbytek 1 m, a to už určitě zanedbatelné není.
Zakončil bych evergreenem prodavačů záhad
tzv. „nerezavějícím sloupem v Novém Dillí“. Je
až trapné číst po letech odpovědi na náš článek,
který shrnoval racionální důvody z bohaté odborné literatury pro „korozní odolnost“ tohoto sloupu (velká hmotnost omezující kondenzaci vody v době poklesu teploty, zvýšený obsah
fosforu a malý obsah síry ve svářkovém železe,
v minulosti malá agresivita atmosféry v Novém
Dillí).
Cituji šiřitele bludů: „Když vezmete jakékoliv
železo a vystavíte ho působení tzv. slunečního
větru, tedy proudu částic, které vyvrhuje Slunce, ošetří se tím dané železo tak, že nebude reznout. Tato teorie byla ověřena laboratorním
pokusem s umělým „slunečním větrem“. Jenže „sluneční vítr“ na povrch Země nikdy nedopadne – zanikne v atmosféře. Pokud tedy nějaký předmět na Zemi rezne málo nebo vůbec
ne, nemá za sebou náhodou cestu mezihvězdným prostorem?“ Nikomu ze šiřitelů nesmyslů
o mimozemském původu sloupu, o blahodárném protikorozním účinku slunečního větru, i o „směšnosti“ racionálního vysvětlení jeho malé korozní rychlosti nevadí, že sloup je na
všech fotografiích zjevně zrezivělý.
Záhadologové mi tehdy mimo jiné sdělovali: „byli bychom mu vděčni, kdyby upustil od
své zásady s lidmi jako jsme my nekomunikovat a rozšířil náš – a tím i váš – obzor. Rovněž
mu budeme povděčni, pokud by se vyjádřil (pokud možno slušně) k onomu nekorodujícímu
sloupu v Německu. Nachází se v Kottensdorfu
(správně má být v Kottenforstu – pozn. autora),
několik kilometrů od Bonnu a z větší části (odhadovaná délka až 30 metrů) je zapuštěn do země. Od nepaměti se mu říká „Železný muž“.
Když před mnoha lety nesmysl o tomto údajném
evropském nekorodujícím železném sloupu, zapuštěném 30 m do země, napsal světově známý
guru záhadologů, vzali rozumně uvažující pracovníci bonnského muzea motyky a zjistili, že v zemi
je z celkové délky 2,18 m sloupku asi polovina, a že
se jedná o zrezivělý ingot litiny, kterým si nechal
majitel panství v 17. století vymezit pozemek.
Bludy jsou věčné, stejně jako je věčná lidská hloupost a nevzdělanost. Tím se ale v žádném případě nechci dotknout kohokoli ze čtenářů, který v tomto textu nalezl poučení, ale ani čtenářů,
kteří se mnou v jednotlivých případech nebudou
souhlasit a dokážou to racionálně zdůvodnit. •
9
POVRCHOVÉ ÚPRAVY
POROVNÁNÍ ALKALICKÉHO BEZKYANIDOVÉHO
A SLABĚ KYSELÉHO ZINKOVÁNÍ
Elektrolytické zinkování je nejrozšířenější povrchovou úpravou. Slouí především jako ochrana ocelí a litiny proti korozi.
Z celkového mnoství těchto povrchově chráněných materiálů zaujímá zinkování a 65 %. TEXT/FOTO ING. LADISLAV OBR, CSC., ČSPÚ JIHLAVA
K
prvnímu komerčnímu využití zinkování došlo v roce 1930 a za
více jak tři čtvrtiny století prošlo bouřlivým vývojem. V současné době jsou v širším měřítku využívány dvě nosné technolo-
gie:
alkalické bezkyanidové zinkování
slabě kyselé zinkování.
Tab. 1 Zastoupení jednotlivých technologií
Technologie zinkování
podíl v % 1970
slabě kyselá
podíl v % 1990 podíl v % 2012
3
50
40
alkalická bezkyanidová
4
30
32
ostatní (včetně slit. povl.)
93
20
28
Nezřídka se stává, že si provozovatelé zinkování kladou otázky: Mám tu
správnou technologii? Nebyla by na můj sortiment vhodnější ta druhá?
Nedosáhl bych stejných kvalitativních parametrů za nižší náklady?
A před těmi, co zinkovat začínají a zkušenosti sbírají, stojí zásadní otázka: Tak kterou?
Tento příspěvek si klade za cíl nezaujatě a pokud možno objektivně zhodnotit obě technologie, uvést jejich přednosti i nedostatky a stát se jakýmsi vodítkem při rozhodování.
ALKALICKÉ BEZKYANIDOVÉ LÁZNĚ
Základem těchto lázní je hydroxizinečnatanový komplex [Zn(OH)4]2-,
který vzniká rozpouštěním zinku, nebo zinečnaté soli, nejčastěji oxidu,
v hydroxidu.
Zn2+ + 4 OH– = [Zn(OH)4]2K vyloučení kompaktní lesklé zinkové vrstvy s dobrou mechanickou odolností je nutná přítomnost organických látek. Kvalita zinkovacích lázní se
odvíjí od použitých organických látek a jejich komplexačních schopností. Nové generace těchto alkalických bezkyanidových lázní obsahují také nezbytné organické látky, které vytvářejí nutné komplexní prostředí,
ale po zředění v odpadních vodách se stávají málo stabilní. Ve své podstatě se rozpadají a nekomplexují a nemají negativní vliv na odpadní vody.
Tab. 2 Analytické hodnoty alkalických bezkyanidových lázní
Parametr
jednotka
závěs, buben
Zn
g/l
10 – 15
NaOH
g/l
120 – 150
optimální poměr NaOH : Zn
22
10 : 1
Do většiny lázní poslední generace se zpravidla dávkují čtyři typy přísad:
Nosič lesku – zaručuje rovnoměrnost pokovu a je zodpovědný za výtečnou hloubkovou účinnost. Jeho nedostatek se projeví nerovnoměrným
vzhledem povlaku, případnou drsností vyloučeného povlaku, jeho předávkování vede ke snížení rychlosti nanášení zinku.
Leskutvorná přísada – zajišťuje lesk vyloučeného povlaku. Její nedostatek se projevuje snížením brilance povlaku, vysoké předávkování může
vést ke křehkosti vyloučeného zinku a zpravidla vede ke snížení hloubkové účinnosti lázně.
Korekční přísada – odstraňuje matné povlaky v hloubkách mimořádně
složitých dílů. Její nedostatek se právě projevuje matnými povlaky v hloubkách. Zpravidla i dvojnásobný přebytek nemá žádný negativní vliv.
Čistící přísada – eliminuje vliv nečistot, které se do lázně dostávají, například přídavky technického hydroxidu sodného. Její nedostatek se projeví sníženým leskem, eventuelně bělavými fleky. Zpravidla nevadí ani
dvojnásobný přebytek.
Výhodou je široký rozsah použitelných proudových hustot a velmi dobrá
hloubková účinnost. Cílený vývoj v této oblasti přinesl vysokou vyrovnávací schopnost, výrazné zlepšení dekorativního vzhledu, nižší pnutí a vynikající rovnoměrnost rozložení zinkového povlaku.
Koncentrace zinku v lázních se obyčejně pohybuje v rozmezí 10 až 15 g/l.
Oproti slabě kyselým lázním je poloviční a tím je výrazně nižší i výnos
zinku do oplachových vod.
Se zaváděním zinkovacích lázní nových generací dochází také k posunu a změnám jejich citlivosti k různým znečisťujícím kovům, které se
do lázní mohou dostat buď náhodně, nebo nedokonalostí či nedostatečnou důsledností při technologických operacích předcházejících zinkování. Jedná se především o:
Stříbro – ruší od cca 6 mg/l, kdy v oblasti nízkých proudových hustot
(< 0,1 A/dm2) se objevuje šedý mat. Při cca 10 mg/l se vyskytuje mírně matový povlak v oblasti 0 – 3 A/dm2 a u vyšších proudových hustot povlak
ztrácí brilanci. Znečistění lze odstranit redukcí zinkovým prachem nebo
selektivní elektrolýzou.
Kadmium – rušivý vliv se projevuje od 3 mg/l u nízkých proudových
hustot (<0,2 A/dm2) jako světle šedý mat, který se se vzrůstající koncentrací kadmia rychle rozšiřuje. Při 8 mg Cd/l je matný povlak v rozmezí
0 – 2 A/dm2. Znečistění lze odstranit redukcí zinkovým prachem nebo selektivní elektrolýzou.
ENGINEERING.SK
Chrom – třívalentní chrom neruší, avšak na ocelové anodě se rychle oxiduje na šestivalentní, kterého i velmi malé koncentrace mají velmi nepříznivý vliv. Již od 0,2 mg/l se objevují matné fleky v poměrně úzké oblasti proudových hustot (na Hullově plechu v intervalu 1 – 1,5 A/dm2 jako
matný svislý pruh). S narůstající koncentrací se oblast matného povlaku
rozšiřuje a při koncentraci 1 mg/l je povlak od 1 A/dm2 výše již zcela matný. Lázeň nelze vyčistit.
Měď – při koncentraci 10 mg/l se projevuje jako světlý mat u nízkých proudových hustot (<0,1 A/dm2). Nad touto hodnotou se projevuje matovým
povlakem i při proudových hustotách v rozmezí intervalu 4 – 5 A/dm2
a od cca 20 mg Cu/l se při chromátování začínají u vyšších proudových
hustot objevovat tmavé fleky. Znečistění lze odstranit redukcí zinkovým
prachem nebo selektivní elektrolýzou.
Cín – rušivý vliv se může projevovat jen jednorázově, od koncentrace
40 mg/l výše a to poměrně krátkodobě jako matné světlé skvrny při nízkých proudových hustotách (cca 0,2 A/dm2) a zároveň světlý mat při proudových hustotách vyšších. V alkalickém prostředí se však dvouvalentní
cín poměrně rychle oxiduje vzdušným kyslíkem nebo na anodě na čtyřvalentní, který neruší. Lázeň se při provozu nebo odstavení v poměrně krátké době po znečistění vyčistí sama.
Olovo – ruší od koncentrace 2 mg/l v oblasti nízkých proudových hustot
(<0,1 A/dm2). Rušivý vliv se projevuje jako nepravidelné matné skvrny,
místy nepokovené. Od cca 7 mg/l se objevuje matný šedý povlak také při
vyšších proudových hustotách (cca 5 A/dm2). Znečistění lze odstranit redukcí zinkovým prachem nebo selektivní elektrolýzou.
v lázni rozpustit. U větších van, případně i několika menších, je výhodné jednotlivé vany vzájemně propojit a do tohoto okruhu zařadit rozpouštěcí vanu. Vlastní proces rozpouštění probíhá stejně. Výhodou tohoto systému je jednodušší udržování koncentrace zinku v celém systému.
Každá vana má stejné složení a stejný poměr zinku a hydroxidu. Jednotlivé přísady lze dávkovat centrálně, což opět zjednoduší celý systém řízení
procesu. Součástí rozpouštěcí vany bývá i filtrace. V případě použití zinkových anod je nutná častější kontrola obsahu zinku. Při anodové proudové hustotě vyšší jak 2 A/dm2 velmi často dochází k pasivaci anod. Uvedená hodnota se v alkalických bezkyanidových lázní považuje za limitní.
Vyloučený zinkový povlak je pololesklý, až velmi lesklý s dobrou pasivovatelností ve všech typech pasivací. Pouze u modrého pasivace je zpravidla
docilováno sytějšího odstínu oproti povlakům ze slabě kyselých lázní, což
je zapříčiněno jinou strukturou a orientací krystalové mřížky. Odlišné je
i vnitřní pnutí povlaku (+ 40 ± 10 N/mm2) oproti povlakům ze slabě kyselých elektrolytů (-10 ± 5 N/mm2). Tvrdost povlaků z obou typů lázní je
srovnatelná a je v rozmezí 130 ± 30 (HV 0,1)
Nevýhodou této technologie je, že se nedoporučuje zinkování litiny a u vysokopevnostních ocelí je bezpodmínečně nutné dokonalé odvodíkování.
Tab. 4 Nejčastější závady alkalických bezkyanidových lázní
Závada
Předpokládaná příčina
Povlak má puchýřky
• nedostatečná předúprava
• vysoká koncentrace
• leskutvorných přísad
• nevhodné složení lázně
• znečistění organikou, kovy
• nízká teplota lázně
Tupý lesk při nízké proudové hustotě
• kovové nečistoty
• znečistění organikou
• nízká teplota lázně
• nízký obsah leskutvorných přísad
• nevhodné složení lázně
Napalování nebo mat v oblasti
vysoké proudové hustoty
• nízká koncentrace leskutvorné přísady
• vysoká proudová hustota
• nízká teplota lázně
• nízký obsah zinku
Po vyjasnění má zinkový povlak
barevné skvrny
• kovové nečistoty vyloučené do povlaku
Vyloučený povlak je mlhavý
• nízká koncentrace přísad
• vysoký obsah zinku
• příliš tvrdá voda
• znečistění železem
Vyloučený povlak je drsný
• mechanické nečistoty v lázni
Vysoká spotřeba přísad
• vysoká koncentrace zinku
• vysoká teplota lázně
• organické nečistoty
Tab. 3 Pracovní podmínky
Parametr
Jednotka
Závěs
Buben
Katodová proudová hustota
A/dm2
1–4
0,5 – 2
Anodová proudová hustota
A/dm2
<2
<2
18 – 28
18 – 28
Pohyb
žádoucí
rotací bubnu
Odsávání
potřebné
potřebné
Teplota
0
C
Pro alkalické bezkyanidové zinkování se doporučuje použít pracovní vanu z umělé hmoty (PVC, PP) nebo ocelovou vyloženou tvrzenou pryží.
Z pohledu doporučeného rozmezí pracovní teploty je vhodné mít k lázni
tepelný výměník, který umožní eventuální chlazení při vysokém zatížení lázně, a to zejména v letních měsících a při bubnovém provozu. Pro tepelný výměník se doporučuje jako nejběžnější a nejlevnější materiál ocel.
Je nutné dobré odsávání a zachycování dráždivého silně alkalického aerosolu. Doporučuje se míchání elektrolytu, a to buď pohybem katodové tyče nebo pomocí míchacích injektorů. Jsou známé i případy míchání těchto lázní tlakovým vzduchem.
Při alkalickém bezkyanidovém zinkování probíhá vylučování zinku, čili katodický proces s účinností v rozmezí 55 – 80 procent. Ve zbývajícím
množství do 100 procent probíhá vylučování atomárního vodíku a tepla.
U pevnostních ocelí tak může docházet k navodíkování oceli a ke vzniku
vodíkové křehkosti. V těchto případech je nutné nejpozději do 4 hodin po
usušení zboží nasadit operaci odvodíkování. Délka ohřevu a použitá pracovní teplota se odvíjí podle typu základního materiálu. Zpravidla to bývá
ohřev na teplotě v rozmezí 180 – 240 oC po dobu 4 – 24 hodin.
Anodický proces, t.j. rozpouštění zinku z anod do elektrolytu však probíhá
téměř se 100 procentní účinností. Tím by za normálních provozních podmínek docházelo k nárůstu koncentrace zinku v elektrolytu a k porušení potřebného poměru zinku a hydroxidu. Z tohoto důvodu se v převážné
míře používají při zinkování inertní, nerozpustné ocelové anody. Potřebný zinek se do elektrolytu dostává chemickým rozpouštěním zinku (anody,
koule, štěpy) při kontaktu se železem. Nejběžněji se používají ocelové koše.
U lázní menšího objemu cca do 1 500 – 2 000 l se koše přímo zavěšují do pracovní vany a jejich počet se řídí množstvím zinku, které je nutné
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 6/2013
Velkou pozornost je nutné věnovat oplachové technice. Zhoršená oplachovatelnost vyžaduje dokonalý oplach. Je výhodné použít míchání oplachové vody pomocí tlakového vzduchu nebo injektorů.
Alkalické bezkyanidové lázně nejnovější generace dosahují vynikající vyrovnávací schopnosti s vynikající rovnoměrností vyloučené vrstvy zinku.
Tuto vlastnost lze kvantifikovat tzv. vyrovnávacím koeficientem „f“, který lze definovat jako: f = A/B
kde: A je tloušťka vyloučené vrstvy zinku v μ při proudové hustotě 3,0 A/dm2
B je tloušťka vyloučené vrstvy zinku v μ při proudové hustotě 0,6 A/dm2
(tloušťka vrstvy zinku je zpravidla měřena na plechu z Hullovy komůrky)
Vyrovnávací koeficient u nejnovějších typů elektrolytů se pohybuje v rozmezí 1,05 až 1,6. »
23
POVRCHOVÉ ÚPRAVY
» SLABĚ KYSELÉ LÁZNĚ
Základními složkami těchto lázní jsou u starších typů chlorid amonný
a chlorid nebo síran zinečnatý. U nových typů těchto lázní pak chlorid
zinečnatý a chlorid draselný. V malém měřítku se místo chloridu draselného používá i chlorid sodný. U těchto nových lázní je důležitou složkou
kyselina boritá, která má funkci tlumiče pH a soli organických karboxylových kyselin. V čistě chloridových lázních není zinek disociován jako
u síranových lázní na Zn2+ a následně elektrochemicky redukován na Zn
ale vytváří komplexní anion (ZnCl4)2–. Jeho elektrochemickým rozpadem
se nejdříve vytvoří Zn2+ a následně se redukuje na Zn. V chloridových lázních je proto důležitý poměr Zn : Cl, který má být min. 1 : 4.
K vyloučení kompaktní vysoce lesklé zinkové vrstvy s dobrou mechanickou odolností jsou nutné leskutvorné přísady. Kvalita těchto přísad nejen zaručuje výše uvedené vlastnosti povlaku, ale má zásadní vliv na jeho
rovnoměrné vylučování s vysokým vyrovnávacím stupněm. Přítomnost
těchto látek nemá vliv na likvidaci odpadních vod.
Tab. 5 Analytické hodnoty slabě kyselých lázní
Parametr
jednotka
závěs
buben
Zinek (Zn )
g/l
30 – 45
25 – 35
Chloridy (Cl-)
g/l
120 – 180
120 – 180
1:4
1:4
20 – 35
20 – 35
2+
Poměr Zn2+/ClKys. boritá (H3BO3)
g/l
Do většiny lázní poslední generace se zpravidla dávkují dva typy přísad:
Základní přísada – umožňuje vylučování kompaktních pololesklých povlaků jemného zrna. Ovlivňuje hloubkovou účinnost lázně, snižuje její
pěnivost, ovlivňuje bod zákalu lázně a umožňuje emulgaci leskutvorné
přísady v lázni, která je většinou ve vodě nerozpustná.
Leskutvorná přísada – má zásadní vliv na zabíhavost a vyrovnávací
schopnost lázně, výrazně ovlivňuje lesk a zobrazivost zinkového povlaku.
U starších typů lázní byly výrobci ještě deklarovány přísady umožňující
kvalitnější pokov litiny, vysokoteplotní přísady a pod. U lázní nových jsou
všechny tyto vlastnosti integrovány do jediné leskutvorné přísady, která je svým charakterem univerzální a výrazně zjednodušuje vedení lázně.
Na rozdíl od alkalických zinkovacích lázní je u slabě kyselých nutno věnovat zvýšenou pozornost oblasti předúprav. Dostačující kvalita předúpravy
pro alkalické lázně je zpravidla nedostatečná pro lázně slabě kyselé. To se
projevuje nedostatečnou přilnavostí zinkového povlaku, puchýřkováním
a odprýskáváním povlaku. Na výsledných vadách zinkového povlaku se
nedostatečná předúprava projevuje z více jak 60 – 70 %.
Slabě kyselé lázně jsou také citlivější na znečistění různými kovy. Jedná
se především o:
Kadmium – které ruší již od 10 mg/l, kdy se v oblasti velmi nízkých proudových hustot objevuje při delší době vyjasňování (nad 10 vt.) nebo při
modrém pasivování kouřově šedý povlak. Tento defekt se se stoupající
koncentrací kadmia rozšiřuje směrem k vyšším proudovým hustotám. Při
40 mg/l zasahuje již k 2 – 2,5 A/dm2. Znečistění lze odstranit redukcí zinkovým prachem nebo selektivní elektrolýzou.
Chrom – u nižších proudových hustot (0,2 – 1 A/dm2) se od koncentrace cca 20 mg Cr6+/l objevují světlé skvrny. Nad 25 mg/l dochází k nepokovení při nejnižších proudových hustotách a tento efekt se se stoupající
koncentrací rozšiřuje. Při provozu lázně však dochází na katodě k redukci šestivalentního chromu na třívalentní, což se projeví zakalením lázně.
Třívalentní chrom je v této podobě neškodný. Proces tohoto „samočištění“ je poměrně rychlý. Trvalé znečistění tohoto typu lázní proto nepřichází v úvahu.
24
Měď – ruší cca od 20 mg/l výše a to v oblasti nízkých proudových hustot
(<0,1 A/dm2), kdy při vyjasňování nebo pasivování (modrá pasivace) vznikají tmavé duhové povlaky. Při 50 mg/l jsou defekty viditelné až do cca
0,5 A/dm2. Při vyšších proudových hustotách zůstává povlak bez vady.
Znečistění lze odstranit zinkovým prachem nebo selektivní elektrolýzou.
Olovo – v oblasti nízkých proudových hustot (<0,1 A/dm2) se od cca 3 mg
Pb/l objevují světlé, velmi tence pokovené skvrny, které se zpravidla při
vyjasnění mění na nepokovenou plochu. Se stoupající koncentrací dochází k rychlému rozšiřování tohoto efektu. 10 mg Pb/l má negativní vliv
v oblasti 0 – 0,5 A/dm2. Znečistění lze odstranit redukcí zinkovým prachem nebo selektivní elektrolýzou.
Železo – jeho rušivý vliv závisí na typu lázně. U starších typů ruší železo
již od cca 150 mg/l, kde se v oblasti vyšších proudových hustot (>4 A/dm2)
objevuje hnědošedý mat, který při dalším narůstáním koncentrace železa se rozšiřuje směrem k nižším proudovým hustotám. U nových, moderních lázní je tento rušivý efekt potlačen a začíná se projevovat až od cca
500 – 800 mg/l. Znečistění se odstraní oxidací a následnou filtrací. K oxidaci se používá peroxid vodíku nebo roztok manganistanu draselného.
Po usazení hydroxidu železitého se lázeň zfiltruje.
Cín – dvouvalentní cín ruší již od koncentrace cca 2 mg/l v oblasti velmi
nízkých proudových hustot s podobným projevem jako u olova. Během
několika hodin však dochází k hydrolýze, kdy se cín vyloučí ve formě nerozpustných solí a jeho rušivý efekt se ztrácí. Sloučeniny čtyřvalentního
cínu nejsou v těchto lázních rozpustné a rovněž nemají rušivý vliv.
Pro slabě kyselé zinkování je možné použít všech běžných typů pokovovacích zařízení. Funkční vany, pokud nejsou celoplastové (PP, PVC) je
nutno vyložit tvrzenou pryží nebo jinou vhodnou plastickou hmotou. Je
důležité si uvědomit, že u nových, nepoužitých van, dochází často k vyluhování některých složek vyložení, které mohou být příčinou vadných,
křehkých nebo černých zinkových povlaků. Z těchto důvodů se doporučuje důkladné vyloužení nových nebo nově vyložených van např. roztokem kyseliny chlorovodíkové a vhodného smáčedla.
Slabě kyselé zinkovací lázně na rozdíl od alkalických bezkyanidových mohou pracovat i při teplotách okolo 45 oC. Při této teplotě však zpravidla
dochází k nižšímu hloubkovému rozptylu lesku, který lze eliminovat vyšší dávkou leskutvorných přísad.
Tab. 6 Pracovní podmínky
Parametr
Jednotka
Závěs
Buben
Katodová
proudová hustota
A/dm2
0,5 – 5
0,5 – 2
Anodová proudová
hustota
A/dm2
<3
<3
0
15 – 45
15 – 45
pH
4,9 – 5,5
5,1 – 5,5
Pohyb
žádoucí
rotací bubnu
doporučené
doporučené
Teplota
Odsávání
C
Z ekonomického pohledu je však výhodnější instalovat do lázně chlazení a dodržovat doporučené rozmezí teploty, kdy lázeň pracuje optimálně. Chlazení je zpravidla nutné instalovat přesahuje-li proudové zatížení
lázně 0,4 A/l. Totéž platí, je-li zinkovací lázeň podchlazena a její teplota
je nižší jak 15 oC. Pak je nutné lázeň přihřát. Pro zahřívání a chlazení lze
použít registrů, topných elementů nebo jiných zařízení z titanu, teflonu
a pod. Slabě kyselé zinkovací lázně nesmí přijít do styku s olověnými nebo poolověnými díly.
K zinkování je vhodné použít deskových anod čistoty 99,995 %. V titanových koších lze využít i kulové anody stejné čistoty. V případě použití
anod nižší čistoty je nutno vzít v úvahu, že může dojít ke znečistění lázně
stopovými prvky (Pb, Cd a pod.).
ENGINEERING.SK
Anodová plocha by měla být dvojnásobkem plochy katodové. Všechny anody musí být uloženy v anodových sáčcích, které je třeba pevně
stáhnout k anodovému držáku. Horní okraj anod by měl být asi 3 – 5 cm
nad hladinou, aby nedocházelo k vyplavování nečistot z anod do lázně.
Během provozu je vhodná kontinuální filtrace. Pokud to není možné, postačí občasná filtrace. V případě nedostatečné filtrace může na zboží docházet k vylučování drsného povlaku zinku, což bývá způsobeno zazinkováním mechanických nečistot z lázně. Anody nižší čistoty uvolňují více
mechanických nečistot a tím mimo jiné zvyšují nároky na filtraci lázně.
Velmi důležité je neopomenout, že nepoužité nové anodové sáčky je nutné důkladně vyprat v 5 % roztoku uhličitanu sodného, potom řádně vymýt vodou a zředěnou kyselinou chlorovodíkovou a následně opět důkladně propláchnout vodou. Toto opomenutí může mít a velmi často
tomu tak je, vyloužení apretačních složek do zinkovací lázně a následné vylučování defektních povlaků zinku. Dodatečné čistění lázně je složité a zdlouhavé.
Důležitou podmínkou pro využití vynikajících vlastností slabě kyselých
zinkovacích lázní je instalace dobrého a účinného míchání. To lze realizovat mnoha způsoby, pohybem katodové tyče, tlakovým vzduchem nebo
nejmoderněji pomocí míchacích injektorů. Ve všech případech je nutné
docílit rovnoměrného míchání celého objemu elektrolytu. Při míchání
tlakovým vzduchem to předpokládá na délku 10 cm katodové tyče cca
20 l vzduchu za minutu. Použitý vzduch nesmí obsahovat olej a mechanické nečistoty. Nevýhodou tohoto způsobu míchání je značný úlet slabě
kyselého aerosolu a jeho korozivní účinky na zařízení. Při míchání pomocí pohybu katodové tyče se doporučuje rychlost pohybu 2 – 4 m/min., t.j.
přibližně 10 – 20 dvojzdvihů za minutu při délce zdvihu 10 cm. Účinnost
míchání bývá zpravidla nízká, zvláště při zinkování plochých dílů, které
minimálně pohybují elektrolytem. Účinnějším a novým způsobem míchání je použití míchacích injektorů. Zde je potřebné systém velmi dobře
navrhnout a optimalizovat. Při předimenzování výkonu míchacích injektorů dochází k vytváření „elektrochemických stínů“, které znamenají
tvorbu nepokovených míst. Poddimenzování pak nanášení nerovnoměrné vrstvy zinku a tendenci k jeho napalování.
Vyloučený zinkový povlak ze slabě kyselých zinkovacích elektrolytů je
vysoce lesklý, dekorativní a je dobře pasivovatelný ve všech běžných typech používaných pasivací. Výhodou je i možnost přímého pokovení litiny a vysokopevnostních ocelí, bez převážné nutnosti následného odvodíkování. Při zinkování se vytváří minimální množství vodíku, které by tuto
vodíkovou křehkost mohlo způsobit.
Slabě kyselé zinkovací lázně nejnovějších generací dosahují velmi dobrých vyrovnávacích schopností a rovnoněrnosti vyloučené vrstvy zinku.
Nedosahují sice kvalit alkalických bezkyanidových lázní, ale značně se
jim již přiblížily. Vyrovnávací koeficient u nejnovějších typů elektrolytů
se pohybuje v rozmezí 1,4 – 2,5.
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 6/2013
Tab. 7 Nejčastější závady slabě kyselých lázní
Závada
Předpokládaná příčina
Nízký lesk povlaku
• nedostatek leskutvorných přísad
• příliš vysoká teplota
• pH mimo doporučné rozmezí
• vysoký obsah zinku ke koncentraci chloridů
Šmouhy a skvrny na povlaku
• vyčerpání nebo znečistění
• vyjasňovacího či pasivačního roztoku
• nedostatečná předúprava
• znečistění lázně cizími kovy
Povlak je matný, tmavě
šedý až černý
• špatná předúprava
• znečistění lázně dusičnany
Otisky perforace bubnu na zboží
při hromadném zinkování
• vysoká proudová hustota
• nízký obsah zinku
• znečistění železem
• malá rychlost otáčení bubnu
• příliš malá perforace bubnu
• nízký obsah kyseliny borité
• vysoké pH
Povlak se napaluje při vyšších
proudových hustotách
• nízký obsah zinku
• nízký obsah kyseliny borité
• nedostatek základní přísady
• vysoké pH
• znečistění lázně železem
Povlak je křehký
• organické znečistění v lázni
• znečistění šestivalentním chromem
Povlak je houbovitý
• silné znečistění cizími kovy
• vysoká hodnota pH
Povlak je nepřilnavý
• špatná předúprava
• organické nečistoty v lázni
• vysoké vnitřní pnutí povlaku
POUITÁ LITERATURA:
Firemní návody M.A.G. galvanochemie, a. s. Jablonec nad Nisou
Obr: Stanovení optimálního provozu zinkovacích lázní
Obr: Zinkování – včera, dnes a zítra
Kloubek: Vliv kovových nečistot v zinkovacích lázních
Jelinek: Galvanische Verzinkung •
25
POVRCHOVÉ ÚPRAVY
TECHNOLÓGIA TRYSKANIA PRI PREDÚPRAVÁCH
POVRCHOV
Technológia tryskania (abrasive blast cleaning) patrí medzi technológie čistenia povrchov rôznych materiálov. Dodnes je
základnou technológiou prípravy povrchu pred aplikáciou rôznych druhov organických a anorganických povlakov.
TEXT/FOTO DOC. ING. JANETTE BREZINOVÁ, PHD., ING. ANNA GUZANOVÁ, PHD., KATEDRA TECHNOLÓGIÍ A MATERIÁLOV, SJF – TU KOŠICE
O
tryskaný povrch podľa technologického pôvodu nie je možné
jednoznačne zatriediť do niektorej základnej skupiny mechanicky opracovaných povrchov, t.j. ako povrch „nový“, ktorý
vznikol pri trieskovom opracovaní alebo povrch „pretvorený“, ktorý vznikol pri tvárnení.
Otryskaný povrch vzniká ako dôsledok lokálnej plastickej deformácie,
ktorá je vyvolaná dopadom zŕn tryskacieho prostriedku na povrch základného materiálu. Na druhej strane dochádza k tvorbe nových povrchov
v dôsledku odstraňovania časti okovín a nečistôt (koróznych splodín), ako
aj lokálneho úberu základného materiálu vo forme mikrotriesok. Ktorý
z mechanizmov prevláda, záleží od druhu použitého tryskacieho prostriedku (TP), režimu tryskania, vlastností povrchových vrstiev základného materiálu a od ďalších faktorov.
V procese tryskania je povrch základného materiálu periodicky namáhaný dopadom súboru zŕn použitých abrazív (tryskacích prostriedkov).
Morfológia otryskaného povrchu bude potom výsledkom použitého tvaru a veľkosti použitých tryskacích prostriedkov, ich kinetickou energiou
a uhlom ich dopadu na povrch. Kvalita otryskaného povrchu je ovplyvnená viacerými faktormi, obr. 1.
Obr. 2 Principiálne schémy mechanických tryskacích strojov
a) priechodzí tryskací stroj, b) dvojkomorový závesný tryskací stroj
a)
b)
Obr. 3 a) Schéma laboratórneho mechanického tryskacieho zariadenia KP-1 (MK –
metacie koleso, DD – dopadová doska, VTP [m.s-1] – rýchlosť TP, L – lopatka,  [° ]
– uhol dopadu TP, b) dopadové dosky na umiestnenie skúšobných vzoriek
Obr.1 Faktory ovplyvňujúce akosť otryskaného povrchu
Pri tryskaní ide predovšetkým o uvoľňovanie nečistôt a koróznych splodín od základného kovu prevažne rázovým účinkom dopadajúcich zŕn.
Okrem pneumatického tryskania, pri ktorom pohybovú energiu TP najčastejšie dodáva stlačený vzduch, sa v praxi s obľubou využíva aj technológia mechanického tryskania.
Principiálne schémy mechanických tryskacích strojov sú uvedené na
obr. 2 a 3. V procese mechanického tryskania je abrazivum vrhané lopatkami metacích kolies v uzavretej kabíne na povrch materiálu a v mieste
dopadu ho lokálne deformuje.
26
K vytvoreniu finálneho otryskaného povrchu dochádza pretvorením povrchu deformáciou a mikrorezaním. Tieto zmeny, vyvolané predovšetkým mechanickými účinkami, môžu zasiahnuť makro-, mikro- alebo
submikroskopické objemy povrchových vrstiev otryskaného substrátu.
Keďže plasticita materiálu je obmedzená, je potrebné tryskanie realizovať tak, aby sa z povrchu odstránili nečistoty, ale súčasne aby nedošlo
k vyčerpaniu plasticity materiálu, ktoré by následne mohlo viesť k vzniku degradačných javov. Preto je potrebné zabezpečiť pri pneumatickom
tryskaní optimálny čas tryskania, pri mechanickom tryskaní aplikáciu
optimálneho množstva TP, aby došlo k úplnému pokrytiu povrchu stopami (pokrytie, saturácia).
Pokrytie povrchu pri tryskaní stopami po dopade jednotlivých zŕn závisí pri mechanickom tryskaní od množstva TP vrhnutého na otryskávaný
povrch. V súvislosti s tým definujeme nutné množstvo TP qnR, čo je také
množstvo TP aplikované na čistený povrch, pri ktorom je povrch úplne
pokrytý stopami po dopade TP. Pri ďalšom tryskaní dochádza k vyčerpaniu plasticity materiálu a k jeho degradácii únavovým odlupovaním,
obr. 4. Tryskanie je preto ekonomické
len pri použití takého množstva TP,
ktoré zabezpečí úplné pokrytie povrchu stopami po dopade TP.
Tryskanie na mechanických tryskacích strojoch má svoje špecifiká. Riadiacimi parmetrami, ktoré je možné
meniť a ktoré zároveň priamo ovplyvňujú nutné množstvo TP sú: zrniObr. 4 Delaminácia povrchu v dôsledku tosť TP, výstupná rýchlosť TP (otáčky metacieho kolesa), vzdialenosť
vyčerpania plasticity materiálu
ENGINEERING.SK
metacieho kolesa a tryskaného povrchu. Na základe týchto parametrov je
možné určiť saturáciu povrchu (nutné množstvo) niekoľkými spôsobmi:
1. SLEDOVANÍM ÚBERU OKOVÍN
Dopad súboru zŕn TP vyvoláva v priľahlej vrstve okovín tlakové napätie.
Ak toto napätie prekoná hodnotu priľnavosti, dochádza k nadvihnutiu
vrstvy okovín, k jej miestnemu odlúpnutiu a pri dopadoch ďalších zŕn
k úplnému odprasknutiu okovín od základného kovu. Pri použití guľatých tryskacích prostriedkov – granulátu sa dosahuje pomerne rovnomerné pretvorenie povrchu, ktorý je tvorený pretínajúcimi sa guľovými plochami. Guľaté zrno vytvorí na povrchu stopu v podobe guľového
vrchlíka, ktorého okraje vystúpia nad úroveň pôvodného povrchu kovu.
Tento dopad vyvolá vo vrstve okovín napätia, ktoré vedú prevažne k ich
odlúpnutiu od povrchu. Pri tryskaní granulátom dochádza preto pri optimálnom režime tryskania k dokonalému odstráneniu okovín, obr. 5.
Mechanizmus odstraňovania okovín závisí od ich vlastností, ale aj od
technologických podmienok tryskania (veľkosť zŕn TP, ich dopadová
rýchlosť, kinetická energia, uhol dopadu). Úberovú krivku je potrebné
pre každý prípad určiť experimentálne a je špecifická pre každý druh TP
a druh čisteného povrchu.
2. SLEDOVANÍM DRSNOSTI SUBSTRÁTU
Saturáciu povrchu je možné stanoviť aj na základe sledovania drsnosti
substrátu. Mechanizmus zdrsňovania je zrejmý z tzv. kriviek zdrsňovania, ktoré udávajú funkčnú závislosť drsnosti otryskaného povrchu Ra na
množstve TP vrhaného na jednotku plochy q, obr. 8.
Obr. 5 Tryskanie guľatým tryskacím prostriedkom
Pri použití ostrohranných tryskacích prostriedkov povrch tvoria náhodne orientované a navzájom sa pretínajúce záseky. Ostrohranné zrno pri
dopade vrstvu okovín presekáva až do základného materiálu, pričom sa
okoviny v tesnej blízkosti okraja záseku čiastočne odlúpia, ale môžu byť
do vzniknutých zásekov zatláčané. V prípade nekovových TP môžu aj zrná samotného TP ostať zaseknuté a dopadom ďalších zŕn odlomené v základnom materiáli. To spôsobuje sekundárne znečistenie povrchu samotným tryskacím prostriedkom, obr. 6. Jednotlivé zrná TP pritom zároveň
vylamujú s povrchovými nečistotami častice základného materiálu.
Úberové vlastnosti TP sú zrejmé z úberovej krivky. Tá znázorňuje funkčnú závislosť množstva okovín odstránených z povrchu na množstve TP
vrhnutého na jednotku plochy, obr. 7.
Obr. 8 Schéma krivky zdrsňovania povrchu
Krivka zdrsňovania nevychádza z počiatku súradnicového systému, ale
z hodnoty RaV (východisková drsnosť zaokovineného povrchu). Drsnosť
povrchu spočiatku stúpa (fáza I), potom sa ustáli na určitej hodnote (II)
a nakoniec veľmi mierne klesá (III). Saturácia povrchu nastáva pri takom
množstve TP qnR, keď je drsnosť substrátu maximálna. Pokles drsnosti na konci krivky je spôsobený tzv. „pretryskaním“ povrchu, keď ďalšie
zvyšovanie množstva TP vedie k únavovému porušovaniu povrchových
vrstiev a k ich jemnému odlupovaniu. Uvedené spôsobuje zníženie priľnavosti následne aplikovaného povlakového systému. Preto je dôležité zabezpečiť stupeň pokrytia rovný 1, čo zodpovedá otryskaniu nutným
množstvom TP qnR. Stupeň pokrytia je daný podielom množstva TP na
jednotku plochy q a nutného množstva TP potrebného na úplné pokrytie
povrchu stopami zŕn TP qnR.
3. SLEDOVANÍM ODRAZIVOSTI POVRCHU
Obr. 6 Tryskanie ostrohranným tryskacím prostriedkom
Saturáciu môžeme určiť aj z krivky odrazivosti, ktorá zachytáva
vzostup odrazivosti v priebehu tryskania od zaokovineného povrchu
až k technicky čistému povrchu (obr. 9). V niektorých prípadoch však
môže nastať opačný prípad, keď odrazivosť s pokrytím povrchu klesá.
Ide o zdrsňovanie hladkých materiálov, ako sú sklo alebo zrkadlo (gravírovanie). »
UTILIZATION OF ABRASIVE BLASTING
TECHNOLOGY IN SURFACE PREPARATION
Obr. 7 Úberová krivka tryskacieho prostriedku
100-percentné pokrytie povrchu sa dosiahne v bode qn, keď je vrstva okovín odstránená a pri ďalšom tryskaní už dochádza len k úberu samotného základného materiálu.
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 6/2013
The article presents methods of surface saturation in
abrasive blast cleaning technology. Surface saturation is
the most important parameter in blast cleaning process.
It is undesirable to overclean surface by blasting, because
overblasting can cause surface delamination. Surface
saturation can be determined by roughness curve, descaling
curve, curve of reflectivity. •
27
POVRCHOVÉ ÚPRAVY
» Obr. 9 Krivka odrazivosti pre prípad odokovinenia a matovania povrchov
Na obr. 10 sú uvedené všetky krivky integrované do jedného súradnicového systému.
Obr. 10 Krivky odokovinenia, zdrsňovania a odrazivosti povrchu
Z obr. 10 je zrejmé, že nutné množstvo na odokovinenie qn je menšie ako nutné množstvo na úplné pokrytie povrchu qnR. Dôvod tohto rozdielu Δq
je v tom, že na úplné odokovinenie nie je potrebné úplné pokrytie povrchu. Dopad zrna totiž vyvoláva napätia a odlúpnutie okovín nielen v mieste jeho dopadu, ale aj v eho blízkom okolí.
Voľba konkrétnej metódy určenia saturácie povrchu na prevenciu pred pretryskaním povrchov pri tryskaní mechanickými tryskacími zariadeniami
závisí od účelu tryskania, od požadovanej kvality povrchu a od prevádzkových a ekonomických ukazovateľov procesu a zabezpečí kvalitne pripravený povrch pre následné technológie.
Príspevok vznikol v rámci riešenia grantového vedeckého projektu VEGA č. 1/0600/13.
LITERATÚRA:
[1] BREZINOVÁ, J.: Štúdium zákonitostí procesu tryskania z aspektu degradačných javov. Dizertačná práca, SjF TU Košice, 2002.
[2] BREZINOVÁ, J. – DRAGANOVSKÁ, D. – VIŇÁŠ, J.: Diagnostikovanie otryskaných povrchov z hľadiska ich aktivity a deformácie povrchových
vrstiev. In: MM. Průmyslové spektrum č. 4 (2005), s. 10 – 11.
[3] BREZINOVÁ, J. – DRAGANOVSKÁ, D.: Mechanická predúprava povrchov tryskaním. In: Strojárstvo. Roč. 11, č. 4 (2007), s. 88/6 – 90/8
[4] GUZANOVÁ, A.: Nové poznatky v tryskaní pri aplikácii ekologických druhov tryskacích prostriedkov: Doktorandská dizertačná práca. SjF TU
v Košiciach, 2003, 165 s.
[5] MOMBER, A.: Blast cleaning technology. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008, 540 p. •
28
ENGINEERING.SK
VEĽTRHY • VÝSTAVY • KONFERENCIE
ÚSPEŠNÝ IDET
V priestoroch brnianskeho výstavného areálu sa v dňoch 22. a 24. mája stretli
takmer štyri stovky vystavovateľov z 25 štátov na 12. ročníku medzinárodného
veľtrhu obrannej a bezpečnostnej techniky IDET 2013. Výstava patrí medzi
najvýznamnejšie výstavy svojho druhu v Európe. TEXT/FOTO ELEONÓRA BUJAČKOVÁ
M
edzinárodná novinárska porota vybrala spomedzi vystavených exponátov tie najzaujímavejšie. Zlatú prestížnu cenu v odbore Bojové vozidlá pechoty získal
spoločný slovensko – český projekt: modernizované bojové vozidlo pechoty BVP-M2 SKCZ. Projekt pripravil VOP Trenčín, EVPÚ Nová Dubnica
a česká spoločnosť Excalibur Army.
UITOČNÁ ČESKO-SLOVENSKÁ SPOLUPRÁCA
Pri vývoji vozidla boli rešpektované podmienky a požiadavky súčasného vývoja v oblasti vojenstva. Komplexná modernizácia odstraňuje
slabé miesta pôvodných vozidiel BVP a je odpoveďou na požiadavky používateľov z oboch
armád. Predpokladá sa, že modernizáciou vozidla sa predĺži jeho technická životnosť o ďalších 20 rokov. To je z pohľadu slovenských i českých ozbrojených síl veľmi zaujímavý argument,
Modernizované bojové vozidlo pechoty BVP-M2 SKCZ
74
pretože obe krajiny by si za súčasných podmienok len veľmi ťažko mohli dovoliť financovať
nákup nových vozidiel spomínanej kategórie.
Vystavená bola základná verzia vozidla, z ktorej
budú odvodené ďalšie: veliteľská, prieskumná,
spojárska, ženijná či zdravotnícka. Modernizované BVP je vybavené novou, výkonnejšou
a úspornejšou pohonnou jednotkou, má zlepšenú balistickú ochranu, rovnako aj ochranu proti mínam. Umožňuje dlhodobý pobyt a prepravu osádky aj výsadku, má moderné spojovacie
prostriedky kompatibilné s prostriedkami NATO. Možno ho prevážať lietadlami (napríklad
Herculesom C130). Vozidlo je vybavené diaľkovo ovládanou zbraňovou vežou Turra 30 z produkcie Elektrotechnického výskumného a projektového ústavu (EVPÚ) Nová Dubnica. Veža
disponuje 30 mm automatickým kanónom, 12,7
(7,62) mm guľometom, zadymovacími granátmi a protitankovými riadenými
strelami, ktoré okrem obrnených cieľov dokážu eliminovať
aj nízko letiace ciele.
V oblasti Zbrane a munícia získala ocenenie Mobilná delaboračná linka na delaboráciu munície z martinskej firmy
MSM. Munícia je na záver celého procesu rozobratá na časti,
ktoré je možné využiť na spracovanie v rámci druhotných
surovín. Samozrejme, pri dodržaní pravidiel ekologickej likvidácie výbušnín.
Medzi ľahkými terénnymi vozidlami získala
ocenenie česká firma Dajbych za vozidlo určené
pre sily rýchleho nasadenia, vyrobené na platforme Land Rover Defender 110. Spoločnosť
Karbox dostala ocenenie a zaujala svojou modulárnou poľnou nemocnicou, skladajúcou sa
z 26 kontajnerov.
Liberecká spoločnosť S. P. M. získala ocenenie za nový univerzálny nosný systém SPM
US 2013. Skladá sa z niekoľkých modulárnych
komponentov, ktoré umožňujú vojakovi niesť
čo možno najefektívnejšie taktickú bojovú výbavu. Zároveň tak zaručujú jeho bojaschopnosť
a prežitie v boji. Hlavnou výhodou nového systému je možnosť pripojenia rôznych druhov
puzdier s vybavením podľa konkrétnych požiadaviek jednotiek.
Poľská firma BUMAR PCO S. A. si odniesla
ocenenie za prístroj nočného videnia MU3M.
Je to vo svojej kategórii najľahší prístroj, ktorý disponuje moderným technologickým riešením pre pozemné i špeciálne sily. Spoločnosť SVOS Přelouč zaujala nielen odbornú
verejnosť, ale aj mnohých návštevníkov svojím
Viacúčelovým obrneným vozidlom Vega, ktoré disponuje udivujúcou pohyblivosťou v náročnom teréne a zároveň osádke zabezpečuje vysoký stupeň balistickej ochrany. Ešte viac
ju zvyšuje po inštalácii prvkov aktívnej reaktívnej obrany. Česká spoločnosť ERA v Brne
predviedla svojho „Tichého strážcu,“ teda mobilný demonštrátor pasívnych sledovacích systémov, ktorý je kľúčovým míľnikom v projekte Multistatického primárneho prehľadového
radaru. Zachytáva nespolupracujúce vzdušné
ciele, vrátane tých, ktoré nevysielajú a sám sa
pri tejto činnosti neodhalí.
Pardubická firma ELDIS získala ocenenie za
polovodičový pristávací radar PAR-E. Umožňuje priblíženie a pristátie rôznych typov lietadiel. Predstavuje pre pilota vítaného pomocníka v situáciách, keď má obmedzenú viditeľnosť
(za hmly či za dažďa).
ENGINEERING.SK
Slovenské ozbrojené sily sa predstavili aj novozavedeným dielenským opravárenským kompletom Dielkon A. Bolo vidieť i najnovšiu verziu samohybnej kanónovej húfnice Zuzana. Veľa
návštevníkov sa zaujímalo o expozície strelných
zbraní. V expozícii Armády ČR si prezreli útočnú
pušku CZ 805 Bren, ktorá bola do výzbroje českej armády zavedená v roku 2011, pištole Glock
a Phantom či ľahký guľomet Minimi. Na voľnej ploche medzi výstavnými pavilónmi nechýbali ani všetky verzie kolesového obrneného
Mobilná delaboračná linka MSM Martin
transportéra Pandur či ľahké obrnené vozidlá
Iveco, vrátane najnovšej chemickej verzie. Zaujal aj Emulátor rakiet 3M9, čiže simulačné zariadenie, ktoré dokáže imitovať činnosť troch rakiet
3M9 na odpaľovacom zariadení protilietadlového raketového kompletu 2K12 KUB. Pomôže
skvalitniť výcvik obslúh odpaľovacích zariadení,
čiastočne nahradiť súčasne používanú výcvikovú muníciu a na najmä výraznú úsporu finančných prostriedkov pri výcviku. Veľmi zaujímavá bola i prezentácia Projektu Légie 100, keďže
na budúci rok si budeme pripomínať sté výročie
vzniku československých légií. Celý projekt vyvrcholí v septembri 2020, keď uplynie 100 rokov od odchodu posledného legionára z Vladivostoku. Bolo možné vidieť nielen expozíciu
o histórii československých légií, zúčastniť sa
na prednáškach či panelových diskusiách, ale
si aj pozrieť zrekonštruovaný legionársky vlak
ruských légií. Predstavovali ho vagóny poľnej
pošty, zdravotníkov i tzv. tepluška, teda vagón,
v akých sa legionári presúvali po Rusku. •
Univerzálny nosný systém SPM US 2013
EKONOMIKY SVETA
Záhreb
CHORVÁTSKO
„Záhreb splnil desať odporúčaní, čím preukázal vôľu a schopnosť splniť všetky záväzky včas pred vstupom“, uviedla
Európska komisia. Chorvátsko sa tak 1. júla 2013 stane 28. členom EÚ a zväčší ju o 56,595 štvorcových kilometrov
a o 4,4 milióna obyvateľov. TEXT ELEONÓRA BUJAČKOVÁ FOTO ARCHÍV REDAKCIE
K
rajina je známa ako vyhľadávaná turistická destinácia s jedenástimi miliónmi turistov za rok. V porovnaní
s ostatnými krajinami by nemalo byť považované za chudobnú krajinu, lebo jeho HDP na obyvateľa je 63 percent priemeru EÚ.
OD 1. JÚLA ČLEN EURÓPSKEJ ÚNIE
Chorvátsko je jedinečný prípad. Bude prvou členskou krajinou Únie, ktorá nedávno zažila vojnový
konflikt. Ten sa skončil v roku 1995 a bude druhou
krajinou bývalej Juhoslávie, ktorá sa po Slovinsku
stala členom EÚ. Vstup do EÚ prinesie viaceré
Kadoročne sa v krajine otvárajú nové úseky diaľníc
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 6/2013
dôležité ekonomické dôsledky, ktoré sa zrejme
odrazia v celom balkánskom regióne. Napriek
vojne, ktorá bývalú Juhosláviu politicky rozdelila,
Chorvátsko je so susednými štátmi hlboko ekonomicky integrované. Obchodu medzi krajinami
pomáhajú vzájomné preferenčné dohody v rámci
Stredoeurópskej zóny voľného obchodu (CEFTA).
Vstupom do EÚ chorvátsky obchod získa priamy
vstup na vnútorný trh únie s viac ako 500 miliónmi obyvateľov. Už dnes je Chorvátsko dobre ekonomicky integrované s EÚ – obchod s krajinami únie tvorí 61 percent chorvátskeho exportu
a 60 percent importu.
PROBLÉMY EKONOMIKY
Deficit obchodnej bilancie je naďalej hrozivý,
rovnako ako výška zahraničného dlhu. Dá sa
očakávať pokračovanie trendu postupného poklesu podielu vládnej spotreby na celkových výdavkoch v HDP v rámci radikálnych úsporných
opatrení a zníženie podielu investícií na jeho
tvorbe. Pre ďalší úspešný rozvoj bude dôležité,
akým spôsobom Chorvátsko zvýši konkurencieschopnosť svojich tovarov, či sa mu podarí
nájsť finančné zdroje na rozvoj domácej výroby,
skvalitnenie služieb a na ešte nie celkom efektívne využívanie príležitostí daných jeho turistickými možnosťami. Nezanedbateľný vplyv na
ďalší vývoj chorvátskej ekonomiky bude mať
postup privatizácie spojený s ďalším prílevom
zahraničných investorov. Významné štátne firmy (železnice, energetika, vodárne) uvažujú vo
svojich strategických plánoch o postupnej privatizácii, ale praktický vývoj v tejto oblasti ide
pomalšie, ako sa očakávalo.
Privátny sektor vytvára viac ako 70 % podielu na tvorbe HDP. V roku 2012 (za 3Q) patril
najvýznamnejší podiel viac ako 20 % na celkovej tvorbe HDP odvetviu finančných služieb
a sprostredkovaniu nehnuteľností, ďalším odvetvím s podielom viac ako 20 % je priemysel, z toho medzi najvýznamnejšie v tejto sfére
patrí výroba kapitalizovaných výrobkov, výroba
a spracovanie neželezných minerálov, ako aj výroba strojov, nábytku, chemikálií a chemických
výrobkov. Na treťom mieste je veľkoobchodná »
87
EKONOMIKY SVETA
» a maloobchodná oblasť s podielom 10 %, pričom je to však pokles oproti minulému obdobiu.
V rámci tvorby HDP sa na štvrtom mieste nachádza oblasť dopravy s osem percentným podielom. Oproti minulému roku bol aj tu zaznamenaný mierny pokles. Oblasť stavebníctva sa
dlhodobo udržiava na piatom – šiestom mieste
v tvorbe HDP a počas roka 2012 bol zaznamenaný ďalší pokles.
Dôležitou súčasťou tvorby HDP ostáva oblasť
turistiky, hotelových služieb a verejného stravovania.
Podiel turizmu na HDP predstavuje celkovo
16 %, čo je najvyšší podiel zo všetkých krajín
EÚ. Na porovnanie, v Slovinsku je podiel turizmu na celkovom HDP krajiny len 5 %. Malta má
podiel 10,2 % a Cyprus 9,2 %.
Vstupom Chorvátska do EÚ k 1. 7. 2013 sa očakáva ďalší rozvoj a zvýšenie počtu turistov
z krajín EÚ. Najviac turistov navštívilo Chorvátsko z Nemecka (14,28 mil. nocí), Slovinsko
(7,25 mil.), Rakúsko (5,4 mil.), ČR (4,8 mil.), Taliansko (4,6 mil.), Poľsko (3,6 mil.), Holandsko
(2,6 mil.), SR (2,4 mil.).
Celkové príjmy z turizmu v roku 2007 dosiahli
7,46 mld. eur, v roku 2011 6,6 mld. eur a za rok
2012 sa predpokladá, že boli minimálne o 6 %
vyššie, na úrovni 7,2 mld. eur.
Niektorí analytici upozorňujú na prehnaný optimizmus, lebo turisti aj v dôsledku krízy už nemíňajú svoje peniaze v takej miere ako v minulých rokoch a hotelové kapacity vyššieho
Romantika jadranských ostrovov
88
štandardu sú pomerne nízke, až 48 % ubytovacích služieb sa poskytuje formou ubytovania
v súkromí.
HLAVNÉ ODVETVIA
V sektore služieb jasne prevláda oblasť turistického ruchu, ktorého príjem tvorí asi 18 % HDP
Chorvátska. Z výrobných odvetví ide o chemický priemysel, stavbu lodí, oceliarstvo, petrochemický priemysel, produkciu liečiv, výrobu
plastov, obrábacie stroje, elektroniku, papier,
výrobky z dreva, stavebné materiály a potravinársky priemysel. Hlavnými potravinárskymi
komoditami sú obilniny, cukrová repa, olivy,
citrusové plody, zemiaky, sója, dobytok a mliečne produkty. Najväčšími obchodnými partnermi sú krajiny EÚ, predovšetkým Rakúsko, NSR
a Taliansko pri exporte aj importe.
Ako iné krajiny, aj Chorvátsko je zasiahnuté ekonomickou krízou. Nepodarilo sa zásadnejším spôsobom pokročiť v realizácii jednotlivých bodov hospodárskeho programu, ktorý
prijala nová vláda začiatkom roka 2012.
Vláda prijala rozhodnutie v roku 2012 zvýšiť rast
investícií do hospodárstva o 7,4 % proti predchádzajúcemu roku. Jednou z ciest zvýšenia je
motivovanie štátnych podnikov investovať do
rozvojových projektov. Nová vláda poukazuje
na fakt, že od predchádzajúcej vlády neprevzala
prakticky žiadne pripravené projekty, ktoré by
bolo možné okamžite realizovať. Vláda predstavila svoj investičný plán, v ktorom sa predpokladajú investície vo výške 1,2 mld. eur. Najväčšie
očakávania sú od HEP-u, elektrárne, ktoré majú investovať celkom 430 mil. eur, predovšetkým do veľkého počtu malých projektov. Ide
o výstavbu a modernizáciu trafostaníc, prenosovej a distribučnej siete. Okrem malých projektov bude riešiť veľké investície: trafostanicu Ernestinovo a tepelnú elektráreň Plomin III;
na prípravu týchto projektov je potrebných 6 až
18 mesiacov. HAC – chorvátske autocesty majú
v tomto roku investovať 340 mil. eur do výstavby a dobudovania cestnej siete: Ploče, Záhreb –
Sisak a dobudovať koridor 5c od hranice s Maďarskom po hranicu s BiH.
Veľkým problémom chorvátskeho hospodárstva ostáva rast nezamestnanosti; v roku 2012 predstavoval počet nezamestnaných
344 000 osôb, čo je viac ako 19 % miera nezamestnanosti.
Ekonomický rast bol ťahaný predovšetkým domácou spotrebou, v budúcnosti je potrebné,
aby sa zvýšil zahraničný dopyt po výrobkoch
a službách. Aby sa chorvátsky ekonomický rast
mohol dostať na predkrízovú úroveň, bude treba uskutočniť náročné reformy dôchodkového
a zdravotného systému, štátnej pomoci a trhu
práce.
PRERASTOVÉ OPATRENIA
Najväčšou prekážkou rastu ekonomiky je veľké zadlženie (štátu, regionálnej a miestnej samosprávy, štátom vlastnených podnikov,
súkromných firiem i jednotlivcov). Ďalšie zhoršenie ratingu krajiny by negatívne ovplyvnilo
Oficiálny názov: Chorvátska republika, Republika Hrvatska, The Republic of Croatia
Rozloha: 56 538 km2 (súš), 31 000 km2 (teritoriálne more)
Dĺka hraníc: 2 028 km
Hlavné mesto: Záhreb (Zagreb) – 792 875 obyvateľov
Počet obyvateľov: 4,437 milióna (podľa sčítania obyvateľstva v roku 2011)
Oficiálny jazyk: chorvátsky (latinská abeceda)
Národnostné zloenie: Chorváti 89,63 %, menšiny vcelku 10,37 % (z toho Srbi
4,54 %), Slovákov je podľa posledného sčítania 4 712, teda 0,11 % obyvateľstva
Náboenské vyznanie: prevauje rímskokatolícke 87,8 % (Chorváti), pravoslávne
(Srbi, Macedónci) 4,4 %, moslimské 1,3 %, idovské a protestantské
Územné členenie: 20 úp (VÚC) a mesto Záhreb, 419 opčín (konglomeráty obcí)
Mena: 1 kuna (HRK) = 100 lipa; 1 € = 7,5530 HRK (november 2012)
ENGINEERING.SK
Kombinát na spracovanie ropy INA, d.d., patrí k významným zamestnávateľom
ekonomiku krajiny a ešte viac by zabrzdilo ekonomický rast. V súčasnej dobe nemožno očakávať výraznejšie zvýšenie dopytu.
Príliv zahraničných investícií sa doteraz obmedzoval na kúpu existujúcich bánk a privatizáciu
niektorých priemyselných závodov a hotelov.
V Chorvátsku je v poslednom období minimum
investícií, ktoré by produkovali ďalší rast. Jedným z dôvodov je drahá pracovná sila pre vysoké daňové zaťaženie a ďalšie finančné odvody
(v regióne po Slovinsku druhé najvyššie, ostatné
krajiny sú asi o 20 % lacnejšie), netransparentnosť administratívnych procesov, diferencovaný výklad zákonov, korupčné prostredie a zlá
vymožiteľnosť práva).
AKTUÁLNY A OČAKÁVANÝ EKONOMICKÝ VÝVOJ
Nízka miera rastu HDP v kombinácii so slabou
domácou menou spôsobuje rast zahraničného
dlhu chorvátskej ekonomiky. Ten na konci roku 2012 prekročil hranicu 107 %, v roku 2013
má klesnúť na 106,8 % HDP. Ak zároveň do konca roka 2013 prekročí celkové verejné zadĺženie
hranicu 70 % HDP, možno očakávať také zníženie ratingu krajiny, že sa stane pre potenciálnych
investorov príliš rizikovou. V súvislosti s otvorenosťou domácej ekonomiky bude mať znižovanie dopytu v okolitých krajinách (hlavne v Taliansku) za následok spomalenie rastu vývozu
a zväčšenie deficitu obchodu s tovarom. Na základe uvedených skutočností sa javí pre Chorvátsko jediným možným riešením prilákanie zahraničných kapitálových investícií na základe
optimizmu spojeného so vstupom do EÚ. Do
úvahy treba brať aj priame investície a fondy EÚ.
Hrozba vonkajších rizík je ďalším dôvodom realizácie reforiem, lebo len tie môžu zmierniť tlak
na domáci rating, problémy refinancovania dlhu,
kurz domácej meny a hodnotenie krajiny. Vzniknutú situáciu nie je možné riešiť len rozpočtovými, lebo bez nových investícií nedôjde k naštartovanie rastu. Treba investovať do dobrých projektov
v turistike, energetike a poľnohospodárstve.
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 6/2013
Jediným východiskom z tejto situácie je vytvorenie ekonomického prostredia, ktoré priláka priame zahraničné investície a vláda musí vykonať
potrebné reformy, predovšetkým reformu zákonníka práce, zníženie počtu štátnych zamestnancov, zavedenia do praxe zákona o platobnej disciplíne a vykonanie devalvácie kuny, čím
sa zníži aj životná úroveň občanov. Ide o nepopulárne opatrenia, ktoré môžu priniesť sociálne
otrasy, ktorých sa chorvátska vláda obáva.
SPOLUPRÁCA
Uplatnenie slovenských a českých firiem je
možné v oblasti najnovších IT technológií
a softvérových riešení, zavedenie ktorých krajinu ešte len čaká v súvislosti so vstupom do
EÚ. Ďalšiu z možností uplatnenia produkcie sú dodávky poľnohospodárskych strojov
a hnojív. V súčasnej dobe sa 800 000 hektárov poľnohospodárskej pôdy neobrába, v parlamente je návrh nového zákona o poľnohospodárskej pôde, ktorý po schválení umožní
dlhodobé prenajatie štátnej poľnohospodárskej pôdy, resp. jej odkúpenie za splnenia určitých podmienok. Priestor na uplatnenie
slovenských a českých firiem je aj v oblasti
stavebníctva, krajina je príjemcom predvstupových fondov EÚ; je možnosť účasti na tendroch a verejných obstarávaniach.
Chorvátska republika nepatrí medzi rozhodujúcich obchodných partnerov SR (podiel exportu
SR do Chorvátska predstavuje 0,38 % celkového
exportu SR a podiel importu z Chorvátska do
SR tvorí 0,16 % celkového dovozu SR.
Vývoj v oblasti vzájomného obchodu v roku
2012 zaznamenal rastové tendencie na strane vývozu SR do Chorvátska, ako aj na strane slovenského dovozu z Chprvátska. Bilaterálna zahranično-obchodná výmena dosiahla
v roku 2012 svoje najvyššie hodnoty v rámci ostatných 10 rokov, treba však konštatovať,
že naša vzájomná ekonomická spolupráca vykazuje rezervy, najmä v oblasti výrobno-kooperačných a investičných vzťahov. Obrat vzájomného obchodu vzrástol v roku 2012 oproti
roku 2011 o 13,2 % a dosiahol 329,3 mil. eur.
Slovenský export sa zvýšil o 16,9 % oproti roku 2011 a tvoril 236,8 mil. eur. Dovoz SR vzrástol o 4,8 % a dosiahol 92,5 mil. eur. Slovensko
vykazuje s Chorvátskom dlhodobo pozitívnu
obchodnú bilanciu, ktorá v roku 2012 dosiahla 144,4 eur.
Podľa dostupných štatistických údajov preinvestovali slovenské firmy od roku 1993 do roku
2011 v krajine celkovo 31,2 mil. eur. Z pohľadu
priamych zahraničných investícií v Chorvátsku
patrilo Slovensku 28. miesto medzi zahraničnými investormi. V roku 2012 dosiahli slovenské
investície do chorvátskeho hospodárstva objem, ktorý prekročil ich celkovú výšku za ostatných 20 rokov.
V apríli 2012 bola úspešne zrealizovaná slovenská akvizícia vo forme zakúpenia firmy
Biodizel Vukovar v hodnote 10 mil. eur (slovenský investor Envien, a. s., ide o výrobu
biopalív). Firma HB Reavis má záujem uskutočniť v Chorvátsku niekoľko projektov, napríklad vybudovanie biznis centra v Záhrebe
v hodnote 60 mil. eur (začiatok výstavby 1. 9.
2013, spoločnosť zatiaľ investovala 1,5 mil.
eur). Alternative Private Equity d. o. o., ktorej vlastníkom je RMS Mezzanine, a. s., získala chorvátsku Centar banku a Banku Varaždin (vyplatených 22 mil. eur + prevzaté dlhy
bánk). Medzi ďalšie slovenské investície, resp.
kapitál vložený do spoločností v Chorvátsku patrí hotelový komplex Božava na ostrove Dugi Otok, Hotel Krk na ostrove Krk (vo
vlastníctve spoločnosti Hoteli-Krk, d. o. o.),
Water-Ski centrum na ostrove Rab vo vlastníctve spoločnosti Dedič, d. o. o., ďalej ELKO,
d. o. o. Zagreb, Elektrovod – pobočka Zagreb
a SCP Zagreb, d. o. o.
Chorvátsky kapitál na Slovensku smeroval v plnej výške do podnikovej sféry, celkovo bolo zo
strany chorvátskych subjektov investovanch
v SR 9,22 mil. eur. »
Vzájomná obchodná výmena medzi SR a Chorvátskou republikou v mil. eur
Export
Import
Obrat
Saldo
2005
131,2
61,1
192,3
70,1
2006 2007
196,1 182,6
48,0 46,7
244,1 229,3
148,1 135,9
2008
226,6
44,8
271,4
181,6
2009
175,7
47,9
223,6
127,8
2010
185,2
64,4
249,7
120,8
2011
202,6
88,2
290,8
114,4
2012
236,8
92,5
329,3
144,4
89
EKONOMIKY SVETA
» V rámci pôsobenia chorvátskych firiem na
Slovensku je nevyhnutné spomenúť najmä firmu Končar, ktorá je výrobcom električiek a má
záujem o ich dodávky na Slovensko.
PERSPEKTÍVNE PROJEKTY PRE INVESTOROV
Hydroelektráreň na rieke Ombla
(2 km od Dubrovníka) v hodnote 125 mil. eur.
Ide o prvú podzemnú elektráreň v Chorvátsku
s ročnou výrobou 220 GWh. HEP bude jediným
investorom, z vlastných zdrojov pokryje 13 %
nákladov, zvyšok bude financovať EBRD.
Modernizácia a výstavba železnice na úseku
Križevci – Koprivnica v hodnote 30 mil. eur.
Rekonštrukcia a výstavba ropného terminálu
Omišalj na Krku v hodnote 115 mil. eur.
Ide o výstavbu ôsmich zásobníkov na ropu s príslušnou infraštruktúrou. Každý zásobník bude mať
kapacitu 80 000 m3, takže celková kapacita by
mala dosiahnuť 640 000 m3. Ďalších 100 000 m3
by mala byť kapacita zásobníkov na ropné deriváty. Projektová dokumentácia je hotová.
Tepelná elektráreň Sisak C
v hodnote 220 mil. eur.
Doterajšie dva bloky TE Sisak predstavujú 25 % kapacity všetkých tepelných elektrární v Chorvátsku a 10 % všetkých výrobných kapacít elektriny Chorvátska, asi 420 MW výkonu
a výroby 2 800 GWh/rok. Kvôli veku oboch súčasných blokov a stúpajúcich cien paliva (neefektívny mazut s väčším podielom síry) sa výroba z tejto elektrárne znižuje, kým spotreba
elektrickej energie sa každoročne zvyšuje. Po
roku 2016 by mali byť tieto dva bloky nahradené novým kogeneračným tepelnoenergetickým
blokom. Jediným investorom je HEP a podľa jeho tvrdení má financovanie zaistené.
Modernizácia prístavu v Šibeniku, cestovný
terminál Gata Vrulje v hodnote 12 mil. eur.
V severochorvátskom prístave v Rijeke sa nakladá aj slovenský tovar
Rozšírenie siete kanalizácie mesta Šibenik
v hodnote 10 mil. eur.
EBRD zabezpečí financovanie so štátnou zárukou vo výške 12 mil. eur pre projekt dostavby
a modernizácie cestovného terminálu na ploche 9 800 m2, čím by mala byť celková dĺžka
nábrežia 510 metrov a umožnila by tak obsluhovať lode až do dĺžky 260 metrov. Rozšírenie
siete kanalizácie sa bude riešiť v roku 2013, slovenská firma Aspiro, a. s., by mala pôsobiť v úlohe konzultanta výberu dodávateľa.
Projekt tepelnej elektrárne Plomin 3
v hodnote 700 mil. eur.
Veľ kú pozornosť si zasluhuje oblasť obnoviteľných zdrojov energie, HR ročne dováža
elektrickú energiu za 400 mil. eur. Nová vláda musí splniť záväzok zvýšenia výroby elektriny z obnoviteľných zdrojov na 20 % do roku 2020, v roku 2012 sa vydali nové koncesie
na výstavbu veterných parkov, vodných elektrární, biostaníc. V roku 2013 sa predpokladá ďalšie vydávanie koncesií. Priestor je aj na
budovanie paroplynových cyklov. Bola zmenená výkupná cena elektriny z obnoviteľných zdrojov a zvýšená garancia ceny z 12 na
14 rokov.
Dostavba a modernizácia nemocnice v Pule
v hodnote 80 mil. eur.
Financovanie projektu má byť zabezpečené
z prostriedkov ministerstva zdravotníctva, župy
a EÚ fondov. Začatie projektu sa predpokladá
v roku 2013.
Čistiareň odpadových vôd Poreč a Osijek
spolu v hodnote 15 mil. eur.
Financovanie je zabezpečené z fondov EÚ, výberové konania budú v polovici roku 2013, v súčasnosti dobe je v riešení výber technológie. •
Záhrebský veľtrh patrí k najvýznamnejším prezentačným podujatiam
90
ENGINEERING.SK
A-Z strojárskych firiem
e-katalóg na www.strojarstvo.sk
 Bezplatná registrácia
 Nové kontakty a zákazky
 Prezentácia produktov
 Cielená reklama
 Video a foto prezentácie
 Reklamné bannery
Vyuite výhody prvého
strojárskeho servera!
X
E TRA
TUHOSŤ A KRÚTIACI MOMENT ROTAČNÉHO
AKTUÁTORA S UMELÝMI SVALMI
Pneumatické polohové servosystémy rôznych zariadení z oblasti automatizácie a robotiky sú niekedy riešené s pouitím
pneumatických umelých svalov, ktoré tvoria ich koncovú časť – aktuátor. Aktuátor (výkonový člen) s umelými svalmi je
zariadenie, kde je obvyklé pouitie ľahkých, výkonných a pohyblivých pohonov [1]. Súčasné zariadenia na generovanie
točivého pohybu pomocou umelých svalov sú riešené ako mechanické sústavy s dvomi pevne ukotvenými umelými svalmi,
ktoré sú spojené opačnými koncami ohybným pásom. TEXT/FOTO ALENA VAGASKÁ, MILAN BALARA, SJF TU, KOŠICE
P
ás je navlečený na obvod otočnej kladky, ktorá je nasunutá na
hriadeľ aktuátora a tento je uložený v ložiskách. Umiestnené sú
na koncoch nosných stĺpikov aktuátora. Aktuátor takto tvorí zostavu (obr. 1, obr. 2), kde sú na nosnej doske upevnené stĺpiky a na ich konci sa nachádzajú ložiská, hriadeľ a rameno so záťažou, pričom umelé svaly
sú umiestnené pozdĺž stĺpikov [2]. Umelé svaly (US, AM) svojimi ťahovými
silami pôsobia proti sebe a výsledná poloha je určená rovnováhou ťahových
síl pri rôznych tlakoch vzduchu v jednotlivých svaloch. Ťahové sily US sú
prenášané prostredníctvom lanka (prípadne reťaze) na otočnú kladku.
Tuhosť takéhoto aktuátora zodpovedá silám vyvinutým v jednotlivých
svaloch. Takéto usporiadanie je uplatňované často a má veľa výhod. Na
ovládanie každého z oboch pneumatických umelých svalov je nutné použiť dva elektropneumatické ventily. Každý umelý sval vyžaduje jeden plniaci a jeden vypúšťací ventil, buď proporcionálneho alebo dvojpolohového typu, prípadne kombináciu uvedených prvkov.
PNEUMATICKÉ UMELÉ SVALY V ANTAGONISTICKOM USPORIADANÍ
Funkcia súčasných antagonistických aktuátorov je zabezpečovaná zvyšovaním tlaku vzduchu v jednom US a súčasným znižovaním tlaku v druhom (antagonistickom) US (obr. 1). Obidva US sú v takom prípade aktívne
a vyžadujú súčasné riadenie veľkosti plniaceho tlaku vzduchu do jednotlivých US. Je to náročné na spôsob riadenia, nakoľko v každom časovom
okamžiku je nutné dodržať podmienku rovnosti medzi prírastkom tlaku
v jednom US a úbytku tlaku v druhom US. V opačnom prípade dochádza
k nerovnomernosti pohybu ramena kladky aktuátora („trhanie“) a ku kolísaniu hodnoty tuhosti aktuátora.
Funkcia predkladaného riešenia aktuátora vychádza z identickej mechanickej konfigurácie, ako sú súčasné antagonistické aktuátory, účinkovanie US je však odlišné. Jeden z US v príslušnej polovici dráhy ramena
aktuátora plní úlohu pasívnej nelineárnej pneumatickej pružiny a nepotrebuje žiaden riadiaci zásah. Riadený je iba k nemu antagonistický komplementárny (aktívny) US, ktorého pohyb je riadený a poloha nastavovaná reguláciou tlaku vzduchu, cez príslušný ventil (buď plniaci, alebo
vypúšťací). V druhej polovici dráhy ramena je funkcia aktuátora rovnaká,
medzi funkciami US dochádza k zámene. Uvedené riešenie zjednodušuje riadenie takejto sústavy. Pri riadení pohybu a polohy ramena je aktívny
vždy iba jeden z ovládacích elektropneumatických ventilov.
Obr. 1 Aktuátor s pneumatickými umelými svalmi v antagonistickom usporiadaní.
Umelé svaly nemajú rovnaké plniace tlaky.
92
STATICKÁ CHARAKTERISTIKA ANTAGONISTICKÉHO AKTUÁTORA
Sústava opísaná v predchádzajúcej kapitole tvorí výkonový člen servosystému – aktuátor (obr. 2). Spolu so záťažou tvorí regulovanú sústavu, ktorej
výstupom je poloha (prípadne rýchlosť, zrýchlenie), ktorú možno vyjadriť
buď ako zmenu dĺžky ld US oproti referenčnému bodu E (resp. zmenu kontrakcie svalu k, k = lmax– l, kmax= lmax– lmin), alebo ako uhol pootočenia ramena
 dĺžky r. Vstupom do aktuátora je tlak vzduchu p, vstupujúci do príslušného US. Keďže systém je tvorený dvojicou umelých svalov, uhlová výchylka ramena závisí od rozdielu tlakov v jednotlivých svaloch. Závislosť polohy
ramena na diferencií tlakov v jednotlivých svaloch bola zistená experimentálne a predstavuje statickú charakteristiku aktuátora s pneumatickými
umelými svalmi v antagonistickom usporiadaní typu Festo MAS 20 x 250.
Má nelineárny priebeh a je symetrická okolo počiatku súradnicovej sústavy
[3]. Namerané hodnoty statickej charakteristiky boli zaznamenané, z nich
boli vypočítané hodnoty koeficientov výrazu opisujúceho závislosť  na
medzisvalovej tlakovej diferencii p = psvd = psv1 – psv2. Postup výpočtu je uvedený v literatúre [4] a [5].
Uvedeným riešením boli pre použité US získané nasledujúce hodnoty
koeficientov a0 = 35,135; a1 = –34,44; a2 = 5,470.
Vo všeobecnom vyjadrení je funkcia výchylky ramena takéhoto aktuátora
na vstupnom tlaku vzduchu pre ľubovoľný typ US nasledujúca:
(1)
Pre použitú dvojicu US je uvedený vzťah pre statickú charakteristiku aktuátora a má nasledujúcu formu:
(2)
Grafické znázornenie tejto funkcie je na obr. 2, je to nelineárna statická charakteristika skúmaného aktuátora s umelými svalmi typu Festo
MAS 20 x 250.
Obr. 2 Statická charakteristika aktuátora s pneumatickými umelými svalmi
Festo MAS 20 x 250 v antagonistickom usporiadaní.
ENGINEERING.SK
ROBOTIKA
IZOBARICKÉ CHARAKTERISTIKY PNEUMATICKÉHO UMELÉHO SVALU
Izobarické charakteristiky znázorňujú závislosť sily F pneumatického
umelého svalu na kontrakcii k, pri konštantnom tlaku p (resp. psv ), [6].
V prípade konkrétne aplikovaných umelých svalov Festo MAS 20 x 250 sú
na obr. 3 uvedené charakteristiky pre sedem diskrétnych hodnôt tlakov.
Ich priebeh možno vyjadriť funkciou g(x), predstavujúcou závislosť sily
svalu na kontrakcii a tlaku, alebo využiť charakteristiky zmerané a uvádzané výrobcom (obr. 3). [7]
Obr. 4 Izobarické charakteristiky aktuátora s pneumatickými umelými svalmi
v antagonistickom usporiadaní typu Festo MAS 20 x 250
Platí:
(5)
Obr. 3 Izobarické charakteristiky pneumatického umelého svalu Festo MAS-20 [7]
Na obr. 3 sú číslami 1 – 4 označené hranice oblasti použiteľnosti US, ktoré
ohraničujú ich pracovný priestor pri uvedených pracovných tlakoch. Z obrázka je zrejmé, že uvedené US majú maximálnu kontrakciu kmax= 25 % z lmax.
Všeobecnú platnosť má matematická interpretácia izobarických statických charakteristík. Tá umožňuje ich začlenenie do celkového matematického modelu pneumatického umelého svalu. Podľa literatúry [1] je
nelineárna závislosť sily F US na jeho dĺžke l, pri konštantnom tlaku p vyjadrená nasledujúcou rovnicou:
(3)
kde koeficienty aij sú riešením sústavy 16 lineárnych rovníc so 16 neznámymi. Stupeň zhodnosti matematického modelu so skutočnými priebehmi charakteristík je určovaný indexom korelácie Ik. Pri známych hodnotách koeficientov aij , t. j. pri známom konkrétnom US, bude mať uvedená
rovnica v súlade s [1], [4] nasledujúci tvar:
(4)
IZOBARICKÉ CHARAKTERISTIKY ANTAGONISTICKÉHO AKTUÁTORA
Aktuátor tvorí pomerne dlhý a štíhly celok s vyhovujúcimi hmotnostnými a rozmerovými charakteristikami. V prípade aplikácie pneumatických
umelých svalov sa u tohto zariadenia výrazne prejavuje nelineárna proporcia medzi meniacim sa tlakom vzduchu vstupujúcom do umelých svalov a ich kontrakciou. To sa prejavuje súčasne aj na uhle pootočenia ramena upevneného na (výstupnom) hriadeli aktuátora. Tento jav spôsobujú
vlastnosti použitých umelých svalov hlavne z toho dôvodu, že konštruktéri aktuátorov sa snažia využiť rozsah kontrakcie (stiahnutia) umelých
svalov naplno. Tým sa aj naplno prejavujú nelineárne vlastnosti umelých
svalov, ktoré sú za týchto okolností veľmi výrazné. Pohon s takýmto aktuátorom má pri väčších pootočeniach nedostatočnú a asymetrickú tuhosť.
Presnejšia regulácia polohy takejto sústavy je komplikovaná a jej možnosti sú obmedzené. Na obr. 4 sú znázornené izobarické charakteristiky pneumatických umelých svalov (US) AM1 a AM2 (Festo MAS-20) aktuátora s pneumatickými umelými svalmi v antagonistickom usporiadaní. [7]
Statické charakteristiky sú navzájom opačne orientované. US AM1 má konštantný tlak, v US AM2 je tlak postupne znižovaný (bod 0 až bod 5). Kontrakcia má stupnicu orientovanú ku US AM2. Umelý sval AM1 sa bude postupne zmršťovať pri konštantnom tlaku šesť barov, US AM2 sa bude rozťahovať
s postupne klesajúcim tlakom. V bode 5 hodnota kontrakcie US AM2 bude nulová, výchylka ramená aktuátora bude v jednej z dovolených krajných
hodnôt (max). Tým istým postupom dosahuje rameno aktuátora opačnú výchylku (–max), v tomto prípade je aktívny US sval AM1 a US AM2 je pasívny,
plní úlohu nelineárnej pneumatickej pružiny. Stabilná poloha ramena aktuátora zodpovedá rovnosti síl oboch US a je pre každý tlak v aktívnom US iná.
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 6/2013
za predpokladu, že použité US sú rovnaké (rovnaké matice A). Pre tlaky p
platí, že ak psv1 = konst., bude psv2 = h(t) a naopak. Veličiny l1, l2 sú existujúce dĺžky US, k1, k2 sú existujúce kontrakcie US. Pre celkový pracovný tlak
média (tlakovú diferenciu) psvd platí:
(6)
pre kontrakciu k US a jeho dĺžku l platia závislosti
(7)
kde k je kontrakcia US, lmax je maximálna dĺžka US, lmin je minimálna dĺžka US a l je existjúca dĺžka US.
MOMENTOVÁ CHARAKTERISTIKA ANTAGONISTICKÉHO AKTUÁTORA
Aktuátor (výkonový člen) s umelými svalmi je zariadenie z oblasti automatizácie a robotiky, kde je obvyklé použitie ľahkých, výkonných a pohyblivých pohonov. V prípade aplikácie pneumatických umelých svalov
sa u tohto zariadenia výrazne prejavuje nelineárna proporcia medzi meniacim sa tlakom vzduchu vstupujúcim do umelých svalov a uhlom pootočenia ramena upevneného na (výstupnom) hriadeli aktuátora. Je to
dôsledok nelineárneho poklesu sily umelých svalov v závislosti od ich
kontrakcie. Charakter takejto nelinearity spôsobuje pokles krútiaceho
momentu aktuátora pri narastaní hodnoty polohy (pootočenia) . »
STIFFNESS AND TORQUE OF ROTARY
PNEUMATIC ACTUATOR WITH ARTIFICIAL
MUSCLES The paper contains information about the function and basic
properties of the actuator based on pneumatic artificial
muscles. It presents equations for the actuator arm deflection
valuesdepending on an input pressure, shows the static
characteristics of the actuator and the concept of artificial
muscles contraction utilization that are connected in an
antagonistic system through an circular pulley. The torque
and stiffness at the output shaft of actuator decreases in
dependence on the input air pressure. This unfavourable
phenomenon is the result of the artificial muscles properties.
It is necessary to respect this phenomenon and suppress it by
using the suitable technical solution. •
93
X
E TRA
» Tento krútiaci moment M hriadeľa aktuátora je určený silou F US v danej polohe  (resp. k alebo l) a polomerom kladky rkl [8].
(8)
konštantná, preto ich krútiace momenty s rastúcim pootočením klesajú.
Preto krútiaci moment aktuátora klesá zároveň aj v závislosti na vstupnom tlaku. V dôsledku toho klesá aj tuhosť aktuátora oproti počiatočnému stavu. Tento nepriaznivý jav je daný vlastnosťami umelých svalov.
Preto je nutné ho rešpektovať a vhodným technickým riešením aktuátora ho potláčať.
Konfigurácia takto riešeného aktuátora spolu s pomerne jednoduchým
riadiacim systémom umožňuje realizáciu polohového servosystému spĺňajúceho podmienku primeraných nárokov na riadenie a nákladov na
realizáciu. •
Príspevok bol pripravený s podporou Štrukturálnych fondov Európskej únie,
operačný program Výskum a vývoj, opatrenie 2.2 Prenos poznatkov a technológií získaných výskumom a vývojom do praxe, projekt „Výskum a vývoj inteligentných nekonvenčných aktuátorov na báze umelých svalov“, ITMS projektu 26220220103.
Podporujeme výskumné aktivity na Slovensku / Projekt je spolufinancovaný
zo zdrojov ES.
Obr. 5 Momentová charakteristika aktuátora s pneumatickými umelými svalmi
v antagonistickom usporiadaní
LITERATÚRA
Na obr. 5 je znázornená momentová charakteristika aktuátora s pneumatickými umelými svalmi v antagonistickom usporiadaní, M = gk (k). Umelé svaly majú rovnaké plniace tlaky v bode 0, jemu je priradená hodnota
kontrakcie k = 0 a tam sú ich momenty (tuhosť) v maximálnej hodnote.
Pri zmršťovaní svalu AM1 a súčasnom poklese tlaku v AM2 sa zväčšuje jeho kontrakcia (bod 0 až 6, k = 0 až –15 %) a klesá krútiaci moment na hriadeli aktuátora. Tak isto moment klesá aj pri výchylke ramena v opačnom
smere (od bodu 0 až po k = 15 %). Ak predpokladáme, že parametre obidvoch US sú rovnaké, potom bude:
(9)
Vzhľadom na to, že s rastúcou kontrakciou k (pootočením ) klesajú
krútiace momenty od oboch umelých svalov, klesá aj tuhosť aktuátora
v oboch smeroch (k = ± 15 %). Pohon s takýmto aktuátorom má pri väčších
pootočeniach nedostatočnú a asymetrickú tuhosť. Regulácia polohy takejto sústavy je zložitá a jej možnosti sú obmedzené.
ZÁVER
Článok obsahuje informácie o funkcii a základných vlastnostiach aktuátora na báze pneumatických umelých svalov. Riešenie tuhého rotačného aktuátora vychádza z koncepcie využívania kontrakcie umelých svalov
spojených do antagonistickej sústavy. V článku sú uvedené rovnice pre
hodnoty výchylky ramena aktuátora v závislosti na vstupnom tlaku. Sú
znázornené statické charakteristiky umelých svalov aktuátora a koncepcia využívania kontrakcie umelých svalov spojených do antagonistickej
sústavy prostredníctvom kruhovej kladky. Kladka je unášaná pomocou
ohybného pásu (napríklad reťazou), ktorého konce sú spojené s umelými svalmi. Dĺžka ramien kladky, na ktoré pôsobia sily umelých svalov, je
[1] BORŽÍKOVÁ, J. – PITEĽ, J. – TÓTHOVÁ, M. – ŠULC, B.:
Dynamic simulation model of PAM based antagonistic. In: ICCC
2011: proceedings of the 12th International Carpatian Control
Conference: 25 – 28, May 2011, Velké Karlovice, Czech Republic. S.l.:
IEEE, (2011), pp. 32 – 35. ISBN 978-1-61284-359-9
[2] Festo AG & Co, KG, Fluidic Muscle DMSP.../MAS..., Operating
Instructions, 686 102, Version 0501c, pp. 15 – 26
[3] PITEĽ, J. – BALARA, M. a kol.: Aktuátor s umelými svalmi – III.
Úžitkový vzor č. 6154, MPT: B25J 13/06, 04. 06. 2012, majiteľ:
TUKE, FVT, KMIK, Prešov, SK
[4] HOŠOVSKÝ, A: Numerical approximation of static characteristic of
PAM-based antagonistic actuator, In: Journal of Applied Science in
Thermodynamics and Fluid Mechanics. Vol. 1, no. 1 (2007), Liberec,
ČR, 4 pp., ISSN 1802-9388
[5] PITEĽ, J. – BORŽÍKOVÁ, J.: Model of the Pneumatic Actuator
Based on Artificial Muscles. In: Proceedings of XXII International
Scientific Conference „Mathematical Methods in Technics and
Technologies MMTT-22“, May 25 – 28, 2009, Pskov, ISBN 978-591116-087-2, pp. 102 –104, PGPI, Pskov, RF
[6] NOVÁK-MARCINČIN, J.: Biomechanizmy, Elfa, Košice, 1993, ISBN
80-7099-218-2
[7] BALARA, M. – PETÍK, A.: The properties of the actuators with
pneumatic artificial muscles. In: Journal of Cybernetics and
Informatics. roč. 4 (2004), s. 1 – 15. ISSN 1336-4774, http://www.
sski.sk/casopis/index.php.
[8] [6] PITEĽ, J. – BALARA, M. a kol.: Aktuátor s umelými svalmi –
V. PÚV č. 83– 2012, MPT: B25J13/06, 14. 06. 2012, majiteľ: TUKE,
FVT, KMIK, Prešov, SK
0 prepracovanejšia grafika
0 praktické usporiadanie informácií
0 kontakty na strojárske firmy
0 trojjazyčné vyhotovenie
Ďakujeme
[email protected] | www.strojarskykalendar.sk
ROBOTIKA
RIEŠENIE INVERZNEJ ÚLOHY KINEMATIKY
ROBOTA Pri riešení kinematiky robota existujú dve základné úlohy. Úloha, pri ktorej sú známe jednotlivé zovšeobecnené súradnice
a hľadá sa poloha a orientácia koncového bodu je tzv. priama úloha kinematiky. Opačná úloha, keď je známa poloha
a orientácia koncového bodu a hľadajú sa jednotlivé zovšeobecnené súradnice, sa nazýva inverzná úloha kinematiky.
TEXT/FOTO ING. MARTIN HUDEC A KOL., STROJNÍCKA FAKULTA STU, BRATISLAVA
I
nverzná úloha kinematiky je základom pre výpočet kinematiky
mechanizmov, najmä pre potreby určenia polohy jednotlivých
článkov mechanizmu. Ide o transformáciu komplexného vektora polohy w na vektor zovšeobecnenej súradnice q [1].
(1)
Inverzná úloha predstavuje transformáciu vyjadrenia polohy a orientácie
koncového efektora pomocou matice TE na vyjadrenie pomocou lokálnych polohových súradníc. Jej riešenie sa realizuje v dvoch krokoch; najprv sa vypočítajú hodnoty lokálnych polohových súradníc, udávajúcich
polohu ramena, potom hodnoty súradníc definujúcich orientáciu koncového efektora [2]. Pre výpočet inverznej úlohy je potrebné vedieť tvar výslednej transformačnej matice TE, ako aj matíc TR a TZ.
VÝSTUPY Z PRIAMEJ ÚLOHY KINEMATIKY
Použitím Denavit – Hartenbergovho princípu sú vypočítané matice rotácie a translácie pre jednotlivé kĺbové väzby robota, z nich následne transformačné matice A01, A12, A23, A34, A45, A56 a napokon aj matice TR, TZ a výsledná transformačná matica TE.
Poloha a orientácia lokálneho súradnicového systému tretieho člena
umiestneného v spojení ramena a zápästia vzhľadom na globálny súradnicový systém je určená maticou TR.
(2)
Obr. 1 Postup určovania transformačných matíc a výslednej matice TE
pre robot KUKA VKR 200/2
RIEŠENIE INVERZNEJ ÚLOHY
Podstata riešenia inverznej úlohy spočíva v hľadaní hodnôt jednotlivých
kĺbových natočení q1 – q6 pri známej polohe koncového efektora. To znamená, že známe sú iba hodnoty jednotlivých členov matice TE (členy aE1,1
– aE3,3 a členy xE , yE , zE ).
Poloha koncového efektora v globálnom súradnicovom systéme je určená polohovým vektorom PE , resp. súčtom vektorov PR a PZ (obr. 2), kde
(6)
PE = PR + PZ
PR – polohový vektor, ktorý udáva polohu začiatku súradnicového systému umiestneného v spojení ramena a zápästia v globálnom súradnicovom systéme,
PZ – polohový vektor, ktorý definuje polohu efektora vzhľadom na súradnicový systém umiestnený v spojení ramena a zápästia [3].
Poloha a orientácia koncového efektora vzhľadom na súradnicový systém umiestnený v spojení ramena a zápästia je určená maticou TZ (pre
zjednodušenie znázornenia matice je použité označenie s – sin, c – cos)
(3)
Poloha a orientácia koncového efektora vzhľadom na globálny súradnicový systém je určená výslednou transformačnou maticou TE , pričom platí
TE = TR * TZ
(4).
Submatica RE (členy aE1,1 – aE3,3) určuje orientáciu súradnicového systému koncového efektora vzhľadom na globálny súradnicový systém a členy xE, yE, zE udávajú polohu koncového efektora v globálnom súradnicovom systéme:
Obr. 2 Poloha vektorov PE, PR a PZ [53]
Obr. 3 Vektor PZ [53]
Rovnica (6) sa dá vyjadriť aj v zložkovom tvare, a to:
(7)
(5)
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 6/2013
Z obr. 3 vyplýva, že vektor PZ je rovnobežný a súhlasne orientovaný s osou
xe. Jeho orientácia vzhľadom na globálny súradnicový systém je opísaná
95
X
E TRA
maticou RE, možno ju však vyjadriť aj pomocou uhlov  a  [aE1,1, aE2,1 a aE3,1
sú členy matice TE (5)]:
(23)
Pre ďalší výpočet je nutné uviesť tieto substitúcie:
(24)
(8)
(25)
(9)
Podľa obr. 3 možno vyjadriť aj zložky xZ , yZ a zZ vektora PZ , a to pomocou
jeho veľkosti, pre ktorú platí
Keďže opäť platí sin2() + cos2() = 1, možno do tohto vzťahu dosadiť rovnice (24) a (25), pričom po úprave možno vyjadriť r ako:
(10).
(26)
Ak sa takto vyjadrené zložky dosadia do rovnice (7), úpravou sa získa
vzťah pre výpočet súradníc polohy bodu spojenia ramena a zápästia:
Podielom rovníc (24) a (25) a jeho úpravou sa dá vyjadriť výpočet :
(27)
Dosadením rovníc (24) a (25) do rovnice (23) vznikne:
(11)
Poloha bodu spojenia ramena a zápästia vzhľadom na globálny súradnicový systém je určená maticou TR (2), pričom platí:
(28)
Úpravou rovnice (28) sa dá dosiahnuť:
(29)
(12)
(13)
Vychádzajúc zo vzťahu sin2( – q2) + cos2( – q2) = 1 a dosadením rovnice
(29) možno úpravou dostať:
(14)
Z rovníc (12), (13) a (14) sa vychádza pri vyjadrovaní vzťahov pre výpočet
lokálnych polohových súradníc q1, q2 a q3.
VÝPOČET q1
(30)
Podielom rovníc (29) a (30) sa dostane:
Podielom rovníc (13) a (12) a následnou úpravou sa získa vzťah pre výpočet lokálnej polohovej súradnice q1:
(15)
resp.
(16)
(31)
Úpravou rovnice (31) sa získa vzťah pre výpočet q2:
(32)
VÝPOČET q2
Súčet druhých mocnín rovníc (12) a (13) sa dá upraviť na tvar:
(17)
Pre presný výpočet q2 je potrebné do rovnice (32) dosadiť hodnoty r, , 
a  [rovnice (26), (27), (18), (22)]. Podobne ako pri výpočte q1 možno aj teraz
uvažovať periodicitu funkcie tangens. Preto potom platí q2 = q2 ± 180° (33).
Použitím substitúcie
(18)
sa dá rovnica (17) upraviť:
(19)
Rovnicu (14) možno nasledovne upraviť:
(20)
Keďže platí vzťah sin2 (q2 + q3) + cos2 (q2 + q3) = 1, možno za sin a cos dosadiť hodnoty z rovníc (20) a (19), upraviť ich a výsledkom je:
(21)
Použitím substitúcie
SOLUTION OF THE INVERSE KINEMATICS
OF THE INDUSTRIAL ROBOT KUKA VKR
200/2
There are two basic tasks by the process of solving the
kinematics of an industrial robot – the direct task and the
inverse task of kinematics. The goal of the inverse task is
to find all the generalized coordinates when the position
and orientation of the robot`s end point is known. Solution
of the inverse kinematics allows the user to calculate the
value of rotation in each robot`s joint by using the known
values of the position and rotation of the robot`s end point
in global coordinate system. •
(22)
možno rovnicu (21) upraviť:
96
ENGINEERING.SK
ROBOTIKA
VÝPOČET q3
Podielom rovníc (20) a (19) a následnou úpravou sa získa vzťah pre výpočet lokálnej polohovej súradnice q3:
(38)
Rovnicu (36) možno teraz napísať v tvare (s – sin, c – cos):
(33)
(39)
(34)
Pri uvažovaní periodicity funkcie tangens je potrebné uviesť aj nasledovný vzťah pre výpočet hodnoty q3: q3 = q3 ± 180° (35).
Hodnoty q1, q2 a q3 sú známe z predchádzajúcich výpočtov a hodnoty submatice RE sú tiež známe. Pre výpočet natočení q4, q5 a q6 platí:
(40)
VÝPOČET ORIENTÁCIE CHÁPADLA
Pri výpočte orientácie chápadla sa vychádza z výslednej matice TE, konkrétne zo submatice RE, ktorá obsahuje hodnoty výsledného natočenia
koncového efektora. Z rovnice (4) sa dá odvodiť, že matica RE je výsledkom súčinu dvoch subrotácií, rotácie ramena RR a rotácie zápästia RZ, čiže platí:
RE = RR * RZ
alebo
(41)
prípadne
(35),
kde RE je submatica, ktorá opisuje orientáciu efektora v globálnom súradnicovom systéme,
RR je submatica, ktorá udáva orientáciu súradnicového systému umiestneného v mieste spojenia ramena a zápästia,
RZ je submatica, ktorá vyjadruje orientáciu efektora vzhľadom na súradnicový systém umiestnený v mieste spojenia ramena a zápästia [2].
(42)
(43)
(44)
alebo
Rovnicu (35) možno upraviť na tvar:
RZ = (RR)–1 * RE
(45)
(36) »
Submatica RZ je definovaná v matici TZ (3). Pre výpočet natočení q4, q5 a q6
je však potrebné ju definovať aj vo všeobecnom tvare (s – sin, c – cos) (37):
Pre inverznú maticu (RR)–1 platí:
ZÁVER
Vyriešenie inverznej úlohy kinematiky umožňuje používateľovi vypočítať
natočenia v jednotlivých kĺboch robota, a to pomocou známych hodnôt
polohy koncového efektora a jeho orientácie v globálnom súradnicovom
systéme. Takto sa získajú informácie, či akýkoľvek bod v okolí robota je
robotom dosiahnuteľný, teda, či sa nachádza v jeho pracovnom priestore, a určia sa hodnoty natočení v jednotlivých osiach robota tak, aby bol
daný bod dosiahnutý. •
LITERATÚRA:
[1] SKAŘUPA, J. – MOSTÝN, V.: Teorie průmyslových robotů. Košice: Vienala, 2000, 146 s. ISBN 80-88922-35-6.
[2] RÁNKY, P. G. – HO, C. Y.: Robot Modelling – Control and Applications with Software. Bedford: IFS (Publications) Ltd., 1985, 191 s., ISBN
0-903608-72-3
[3] ČERVEŇAN, A.: Príspevok k využitiu technológie simulácie mechanických sústav na modelovanie pracovného cyklu robota: Dizertačná práca.
Bratislava. KVS SjF STU, 2000. 131 s.
Príspevok bol vypracovaný v rámci grantového projektu VEGA 1/1056/12 „Výskum progresívnych metód a prostriedkov v automatizácii výroby“.
Spoluautori: Ing. Norbert Kováčik, Ing. Róbert Kováčik, Ing. Jozef Jašurek, Ing. Jozef Géhry, doc. Ing. Marián Králik, Csc.
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 6/2013
97
X
E TRA
INTELIGENTNÉ RIADENIE REHABILITAČNÉHO
ZARIADENIA S NEKONVENČNÝM POHONOM
Článok opisuje rôzne vylepšenia rehabilitačného zariadenia a tým aj rehabilitačného procesu. Hlavným prínosom je v tomto
umelá inteligencia, ktorej úlohou je inteligentne zvyšovať/zniovať záťa pri rehabilitácii pacienta.
TEXT/FOTO DOC. ING. ONDREJ LÍŠKA, CSC. A KOL., STROJNÍCKA FAKULTA TECHNICKEJ UNIVERZITY V KOŠICIACH
Ď
alším vylepšením je adaptívne riadenie polohy svalu. Simulácia
je realizovaná v programe JavaNNS a využívajú sa v nej neurónové siete.
sa zlepšovať. Dokáže rozpoznať používateľa a po cvičení si zapamätá jeho
pokroky, ktoré počas rehabilitácie dosiahol. Pri zlepšení kondície používateľa mu samostatne zvýši záťaž a naopak, ak zaznamená zníženie sily,
okamžite zareaguje znížením odporu. Zariadenie bude vhodné najmä pre
používateľov, ktorí sú napríklad hneď po operácii. Pacienti začnú s minimálnym zaťažením (odporom) a zariadenie im samostatne zvyšuje záťaž nielen podľa nastaveného programu, ale aj podľa aktuálnej kondície.
Je však nutné definovať, ktoré prvky umelej inteligencie môžu byť najvhodnejšie pre riadenie rehabilitačného zariadenia. Do úvahy pripadajú neurónové siete, neuro-fuzzy systémy, genetické algoritmy či fuzzy-relačné siete. Využitie UI v rehabilitačnom zariadení spočíva v pôsobení na
riadiaci systém. Pričom riadený systém je v tomto prípade samotné rehabilitačné zariadenie.
Postupnosť riadenia je nasledovná: Na základe senzorov sa prenáša informácia zosnímaná z riadeného systému do riadiaceho systému a neurónovej siete. Riadiaci systém na základe poznatkov získaných pomocou
senzorov a podnetov napríklad z neurónovej siete (NN) zadáva riadiace
príkazy pre riadený systém. Týmto spôsobom sa zabezpečí pôsobenie neurónovej siete v riadiacom procese. Riadenie automatizovaného rehabilitačného zariadenia s využitím NN, poháňaného pneumatickými umelými svalmi, je znázornené na obr. 1. Riadiaci systém je znázornený PC
stanicou. Poznatky získané z riadeného systému (automatizovaného rehabilitačného zariadenia) sú znázornené modrou šípkou a riadiace príkazy červenou.
NEKONVENČNÝ POHON V AUTOMATIZOVANOM REHABILITAČNOM ZARIADENÍ
Nekonvenčný pohon využívaný v rehabilitačnej technike je jednoznačne
pneumatický umelý sval. Oblasť zaoberajúca sa umelými svalmi značne
napreduje. Mnoho odvetví sa zaoberá ich širokou škálou využitia. V súčasnosti je elektrický motor hlavnou hnacou silou robotov. Ale ich obmedzené rozmery, vysoká hmotnosť, komplikovaný prevod a zložité tvary spôsobili zmenu v navrhovaní týchto systémov.
Tieto obmedzenia rozbehli vývoj takzvaných umelých svalov, fungujúcich na princípe prirodzeného ľudského svalu. Umelý sval so schopnosťou dynamického pohybu podobného ľudskému svalu otvára nové terapeutické možnosti pre tých, ktorí trpia rôznymi ochrnutiami. V súčasnej
dobe je jedným z najúčinnejších spôsobov ako ozdraviť poškodené končatiny, alebo udržať pružnosť ochrnutých končatín, jemný a plynulý pohyb
kĺbov. To si často vyžaduje zvýšenú pozornosť po dlhú dobu, pričom terapeut nemôže byť stále prítomný. Z tohto hľadiska možno využitie umelých svalov v rehabilitačnej technike považovať za nenahraditeľné.
Automatizované rehabilitačné zariadenie budúcnosti má za úlohu využívať najmodernejšie poznatky z oblasti automatizácie, robotiky a vlastnej
rehabilitačnej činnosti. Ak sa k tomu pridá aj oblasť umelej inteligencie,
vznikne moderné automatizované rehabilitačné zariadenie. V kombinácii s nekonvenčnými pohonmi sa možnosti takto navrhnutého zariadenia ďalej rozširujú. [1][2]
MONOSTI VYUITIA UI V REHABILITAČNOM ZARIADENÍ
Jednou z možností aplikácie umelej inteligencie v rehabilitačných zariadeniach je riadenie rehabilitačného zariadenia pomocou umelej inteligencie. Vhodnou kombináciou rôznych snímacích prvkov a umelej inteligencie je možné dosiahnuť zariadenie, ktoré sa dokáže učiť a samostatne
106
Obr. 1 Rehabilitačné zariadenie s vyuitím NN
SIMULÁCIA V PROGRAME JAVANNS
Na simuláciu neurónovej siete bol použitý program JavaNNS. Pred samotným návrhom neurónovej siete (NN) je nutné si zadefinovať vstupy
a výstupy. Hodnoty vstupov závisia od problému, ktorý má NN riešiť. Ak
chceme docieliť, aby navrhovaná neurónová sieť dokázala rozpoznať aktuálnu fyzickú kondíciu pacienta a jeho prípadné zlepšenia, je potrebné
určiť, ktoré snímané veličiny nás budú zaujímať. Najviac zaujímavé veličiny teda aj vstupy sú rýchlosť a smer. Na základe veľkosti rýchlosti zosnímanej zo zariadenia dokážeme určiť aktuálnu kondíciu. Ak sa rýchlosť
pohybu zvyšuje pri nezmenenej záťaži NN zaznamená zlepšenie kondície a jej úlohou je zvýšiť záťaž. A naopak ak zaznamená zníženie rýchlosti reaguje znížením záťaže. Topológia navrhnutej siete pozostáva z jednej
vstupnej vrstvy, troch skrytých a jednej výstupnej vrstvy. Navrhnutá NN
je zobrazená na obr. 2.
ENGINEERING.SK
INFORMAČNÉ TECHNOLÓGIE
Obr. 4 Štúdia regulačnej slučky s P regulátorom a adaptívnym stavovým regulátorom
optimalizované – skokové zmeny iadanej veličiny w môu byť generované na základe
detekcie snahy pacienta o pohyb rukou v danom smere.
Obr. 2 Navrhnutá NN v programe JavaNNS
Neurónová sieť zobrazená na (obr. 2) vykazuje prijateľnú chybu učenia.
Následne bude testovaná a vykonané vyhodnotenie jej testovania porovnaním skutočných a očakávaných výsledkov.
Na ďalšom obrázku (obr. 5) je znázornený výsledok simulačnej štúdie regulačnej slučky s modelom pneumatického aktuátora [3] a ďalej optimalizovaný na dynamiku referenčného modelu pomocou kvadratickej
neurónovej jednotky (QNU) ako stavového regulátora optimalizovaného algoritmom backpropagation through time (BPTT). Z obr. 5 je zjavné zlepšenie regulačného pochodu pričom kmitanie regulovanej veličiny
je spôsobené využitím šírkovej pulznej modulácie v simulačnej schéme
a tu ju zatiaľ chápeme, ako šum ktorý je vďaka simulovanej PWM sústave vlastný. Znížením nosnej frekvencie pulznej šírkovej modulácie sa dajú kmity regulovanej veličiny celkom odstrániť.
NAFUKOVANIE A VYFUKOVANIE PNEUMATICKÝCH SVALOV S POMOCOU UI
Pneumatické umelé svaly patria do skupiny neštandardných pohonov so
zaujímavými vlastnosťami, podobnými biologickým svalom. Tento druh
svalu je nelineárny a má hysterézne správanie a preto je na ňom možné
uplatniť rôzne pokročilé techniky riadenia. Postupnosť riadenia je zjednodušene znázornená na obr. 3.
Obr. 5 Štúdia regulačnej slučky pneumatického aktuátora s P regulátorom
a optimalizovaným adaptívnym stavovým regulátorom QNU a algoritmom BPTT
Ďalší spoluautori: Ing. Marián VESELINY, Ing. Boris JOBBÁGY, Strojnícka fakulta Technickej
univerzity v Košiciach, doc. Ing. Ivo BUKOVSKÝ, Ph.D., Fakulta strojní, České vysoké učení
technické v Prahe
Obr. 3 Riadenie umelých svalov pomocou meracej karty MF 624
Meracia karta MF 624 (obr. 3) ponúka riešenie pomocou Real-time toolboxu v prostredí Matlab/Simulink. Jedným z uvažovaných a vyvíjaných
riešení je identifikácia dynamiky pneumatického aktuátora neurónovou
sieťou a optimalizácia pohybu robotickej ruky adaptívnym regulátorom
ako odozva v reakcii na prejavenú, ale nedostatočnú snahu o zmenu polohy ruky pacientom. Schopnosť pacienta vyvinúť silu rukou v určitom
smere môže byť využitá na vygenerovanie primeranej zmeny žiadanej veličiny (polohy ruky) a rehabilitačné zariadenie tak umožní pacientovi precvičovať pohyb formou hry, kde cieľom je rozširovať pohyblivosť pacienta
podľa jeho aktuálnych možností.
ADAPTÍVNE RIADENIE POLOHY SVALU
Pre adaptáciu stavového regulátora podľa obr. 4 je najprv vhodné identifikovať P slučku s pneumatickým aktuátorom ako dynamický model. Na
simuláciu merania dát na P-slučke pneumatického aktuátora v antagonistickom zapojení bol použitý skôr vyvinutý simulačný model v Matlab
Simulink, [3][4] (kde sme spojitú reguláciu tlaku regulátorom tlaku nahradili pulznou šírkovou moduláciou).
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 6/2013
Podporujeme výskumné aktivity na Slovensku/Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov ES.
Studie využití nekonvenčních neuronových architektur byla částečně podpořena grantem
SGS12/177/OHK2/3T/12. »
INTELLIGENT CONTROL OF THE
REHABILITATION DEVICE WITH
UNCONVENTIONAL ACTUATOR
There are several criteria that must be met modern rehabilitation device. One of them is the use of artificial intelligence. Another improvement is the use of modern non-conventional actuator. In this case it is the pneumatic artificial muscles. In such
a device can then be used in several areas of AI. This is a intelligent increasing and decreasing load or change a program.
UI can also be used for adaptive control of muscle position. •
107
X
E TRA
» ZÁVER
Pri konštruovaní automatizovaného rehabilitačného zariadenia sa prvky
umelej inteligencie javia ako veľmi výhodné. Takto navrhovaný rehabilitačný prístroj dokáže pracovať takmer samostatne. Kvôli zvládnutiu nelinearity pneumatických umelých svalov je vhodné využiť pokročilé systémy riadenia. Simulácia navrhovanej NN preukázala možnosti použitia UI
v rehabilitačnom zariadení.
POZNÁMKA:
Projekt zo štrukturálnych fondov EÚ, operačný program Výskum a vývoj, opatrenie 2.2 Prenos poznatkov a technológií získaných výskumom
a vývojom do praxe: Názov projektu: Výskum a vývoj inteligentných nekonvenčných aktuátorov na báze umelých svalov ITMS kód:
26220220103.
LITERATÚRA:
[1] PITEĽ, Ján – BALARA, Milan – BORŽÍKOVÁ, Jana: Control of the actuator with pneumatic artificial muscles in antagonistic connection.
Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava. Vol. 53, no. 2 (2007), p. 101-106, ISSN 1210-0471.
[2] PITEĽ, Ján – BALARA, Milan: Model aktuátora s pneumatickými umelými svalmi. Process control 2006. Pardubice: Univerzita Pardubice, 2006.
ISBN 8071948608.
[3] HOŠOVSKÝ, Alexander – NOVÁK-MARCINČIN, Jozef – PITEĽ, Ján – BORŽÍKOVÁ, Jana – ŽIDEK, Kamil: Model-based Evolution of a Fast
Hybrid Fuzzy Adaptive Controller for a Pneumatic Muscle Actuator. – International Journal of Advanced Robotic Systems. Vol. 9 (56) (2012), p.
1-11. – ISSN 1729-8806 Dostupné na internete: <http://www.intechopen.com/journals/international_journal_of_advanced_robotic_systems/
model-based-evo>
[4] HOŠOVSKÝ, Alexander – HAVRAN, Michal: „Dynamic modelling of one degree of freedom pneumatic muscle-based actuator for industrial
applications“, Tehnički vjesnik, Vol. 19 No. 3 Rujan 2012. •
TVORBA 3D MODELOV POMOCOU
FOTOGRAMETRIE
Simulácia sa stala neoddeliteľnou súčasťou navrhovania výrobných systémov. V súčasnej dobe existuje na trhu veľké
mnostvo softvérových produktov na simuláciu výrobných systémov. Ak chceme vytvoriť simulačný model, musíme mať 3D
modely jednotlivých výrobných strojov, manipulačnej a transportnej techniky. Pri nových strojoch je zvyčajne získanie 3D
modelov bezproblémové. TEXT/FOTO RÓBERT KOVÁČIK A KOL., ÚSTAV VÝROBNÝCH SYSTÉMOV, ENVIRONMENTÁLNEJ TECHNIKY A MANAMENTU KVALITY, SJF FAKULTA STU, BRATISLAVA
P
roblém sa vyskytuje pri starších strojoch, ak je k dispozícii len
výkresová dokumentácia, prípadne výkresová dokumentácia
úplne absentuje. Fotogrametria je metóda digitalizácie, ktorá
umožňuje rýchlo a efektívne vytvoriť 3D modely strojov a zariadení.
Digitálna fotogrametria pri svojej práci využíva digitálny fotoaparát, pomocou ktorého sú vytvárané digitálne snímky. Následne sú snímky spracované v počítači a stávajú sa vstupom do fotogrametrického softvéru.
Výstupom zo softvéru sa stáva 3D model snímaného zariadenia. V softvérovom prostredí sú implementované algoritmy z klasickej fotogrametrie,
akými sú napríklad snímková orientácia, stereoskopické videnie, triangulácia.
Na vytvorenie parametrických modelov strojov bol použitý softvér Photomodeler a snímky boli nasnímané fotoaparátom Canon EOS 450D.
KALIBRÁCIA
Z hľadiska určenia vnútornej orientácie prvkov zvoleného digitálneho fotoaparátu (konštanta fotokomory, poloha hlavného bodu snímky H, distorzia, atď.) je potrebné vykonať kalibráciu.
Prvým krokom je vytlačenie kalibračného poľa softvéru Photomodeler.
Kalibračné pole sa skladá z 15 strán formátu A4 uložených v presnom poradí v poli 5 x 3. Pri kalibrácii je dôležité použitie statívu, nastavenie maximálneho rozlíšenia snímky, zachovanie čistoty kalibračného poľa a jednotnej ohniskovej vzdialenosti.
Prvá séria fotografií je urobená zo všetkých štyroch strán, pričom je fotoaparát vo vodorovnej polohe. Ďalšie série fotografií sú tvorené pri otočení
fotoaparátu vždy o 90 stupňov. Fotografie sú spracované softvérom a potom je kalibrácia pre konkrétny fotoaparát uložená.
108
Obr. 1 Kalibračné pole
TVORBA 3D MODELU POMOCOU SOFTVÉRU PHOTOMODELER
Tvorba modelu je realizovaná pomocou kalibrovaného fotoaparátu. Objekt musí byť snímaný z viacerých uhlov, aby bol každý bod aspoň na
dvoch fotografiách. Potom je vybraný bod označený na všetkých snímkach.
Označovanie jednotlivých bodov je realizované pomocou príkazu Points
Mode. V závislosti od polohy bodov sa na vytváranie hrán používa príkaz
Lines Mode, Referencing Mode, prípadne Curves Mode. Path Mode sa využíva na vytvorenie konkrétnej plochy.
ENGINEERING.SK
INFORMAČNÉ TECHNOLÓGIE
POUITIE MODELU PRI SIMULÁCII
Vytvorený model možno následne vložiť do simulačných softvérov, ktoré podporujú rôzne formáty, čím je zabezpečená univerzálnosť. V simulačných softvéroch je následne možné daný model vizualizovať, definovať
kinematiku, prípadne vyhotoviť kolízne analýzy.
Tab. 1 Typy exportných formátov
Obr. 2 Prostredie softvéru Photomodeler
Pospájaním jednotlivých bodov do plôch vznikne drôtový model nasnímaného zariadenia.
Obr. 3 Drôtový model
Posledným krokom je použitie textúr z fotografií, čím vznikne finálny 3D
model, ktorému je možné zadať presné rozmery.
Obr. 5 3D model robota Mitsubishi RV-M1 v softvéri Catia
ZÁVER
V súčasnej dobe rozmáhajúcich sa informačných technológii je pre užívateľa strojov alebo celej výrobnej linky nevyhnutné uchovávať si dáta od
týchto zariadení aj v digitálnej podobe. Digitalizácia strojov a zariadení
má veľké množstvo výhod, medzi ktoré možno zaradiť jednoduchú archiváciu dát, ich rýchlejšiu dostupnosť či zjednodušenú realizáciu konštrukčných zmien na zariadeniach. Jedným zo spôsobov tvorby 3D modelov strojov a zariadení je aj fotogrametria. V porovnaní s inými metódami,
ako laserové skenovanie, je finančne prijateľnou alternatívou.
Príspevok bol vypracovaný v rámci grantového projektu VEGA 1/1056/12 Výskum
progresívnych metód a prostriedkov v automatizácii výroby.
Ďalší spoluautori: Kováčik Norbert, Hudec Martin, Jašurek Jozef, Králik Marián, Géhry Jozef
LITERATÚRA:
Obr. 4 3D model robota Mitsubishi RV-M1
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 6/2013
[1] http://www.photomodeler.com/products/default.htm
[2] DULENČIN, Peter. Vytváranie 3D modelov reálnych objektov
digitálnou fotogrametriou. Košice: TU, 2012, dizertačná práca. •
109
Download

Jún 2013 - Strojárstvo