APLIKÁCIA TRIBOLÓGIE A TRIBOTECHNIKY
V PRAXI
Tribológia rieši problémy trenia, opotrebovania a mazania povrchov trúcich sa dvojíc pri ich vzájomnom relatívnom pohybe.
Patrí medzi multidisciplinárne vedy a vyuíva a zovšeobecňuje poznatky mechaniky, fyziky, chémie, matematiky, biológie
a ďalších vedných odborov. TEXT/FOTO DR. PAVOL KLUCHO, SSTT BRATISLAVA
P
raktické využitie poznatkov tribológie vyústilo do vzniku nového odboru – tribotechniky, ktorá sa aplikuje
v priemyselnej a prevádzkovej praxi v rôznych
odboroch. Tribotechnika zohráva veľmi dôležitú úlohu v údržbe strojového zariadenia vo
všetkých odvetviach priemyslu, dopravy, baníctva a dá sa povedať, že prakticky všade.
Pojem tribológia sa začal používať v roku 1966,
keď ho vymyslel a do praxe zaviedol prof. H. Peter JOST, prezident Medzinárodného tribologického výboru (ITC) z Veľkej Británie. Odvtedy
sa tento pojem rozšíril do celého sveta.
HLAVNÉ ZAMERANIE TRIBOLÓGIE
A TRIBOTECHNIKY
Úlohou tribológie a tribotechniky v praxi je
znižovanie, resp. odstránenie trenia a opotrebovania trúcich sa častí v exponovaných uzloch kontaktu. Riešenie uvedeného problému závisí od viacerých faktorov. Závisí od
optimálnej voľby konštrukcie a konštrukčného materiálu strojového zariadenia, motorového agregátu, turbíny, od extrémnosti pracovných podmienok a pracovného prostredia.
Ako vidieť, týchto faktorov je veľmi veľa a každý z nich môže zohrávať dôležitú úlohu v celkovom tribologickom súbore.
Veľmi dôležitú úlohu pri znižovaní trenia a opotrebovania zohráva aplikácia vhodných mazív
a ich kompatibilita s materiálmi, či už s kovovými, alebo plastickými tesniacimi materiálmi.
Musíme mať na pamäti, že mazivo je vlastne
konštrukčným prvkom, tak ako ostatné materiály, z ktorých je zariadenie skonštruované.
K tuhým mazivám patria plastické
mazivá, nazývané aj vazelíny, ďalej
mazacie pasty, klzné laky a ochranné protikorózne filmotvorné látky,
ktoré vznikli po odparení nosnej
kvapaliny, v ktorej boli rozpustené.
POIADAVKY NA VÝROBU OLEJOV
A ICH APLIKÁCIU V PRAXI
V úvode treba uviesť, že výroba
a kvalita mazív sa odvíja od niekoľkých základných faktorov. V tomto článku sa venujeme iba motorovým a prevodovým olejom.
V prvom rade je to východiskový
základový olej – ropný alebo syntetický, respektíve polosyntetický,
zložený z ropného alebo syntetického oleja (kvapaliny).
Základový olej musí mať:
• vysokú termicko – oxidačnú
stabilitu,
• vynikajúce viskozitné vlastnosti,
• vysoký viskozitný index (V.I.),
• vyhovujúce nízkoteplotné vlastnosti,
• požadovaný bod vzplanutia,
• nízku odparivosť.
Súčasné moderné strojové zariadenia vyžadujú
aplikáciu moderných mazív vyrobených najmodernejšími technológiami na báze vyššie uvedených základových olejov a vysoko aktívnych prísad.
PRÍSADY
DRUHY A FUNKČNÉ VLASTNOSTI MAZÍV A ICH
APLIKÁCIA
Vo všeobecnosti platí, že všetky mazivá, ktoré
sa majú aplikovať v praxi, musia spĺňať určité
kvalitatívne parametre, vrátane tribologických
a tribotechnických.
Mazivá rozdeľujeme do troch skupín, a to kvapalné, tuhé a plynné, z ktorých najväčší podiel
patrí mazivám kvapalným. K nim patria motorové, prevodové, ložiskové, hydraulické, turbínové, kompresorové oleje a ďalšie.
Ku kvapalným mazivám zaraďujeme aj obrábacie, tzv. chladiaco – mazacie kvapaliny. Zvláštnu skupinu funkčných kvapalín tvoria brzdové kvapaliny, chladiace kvapaliny do chladičov
motorov, klimatizačných zariadení automobilov a budov.
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 11/2013
K najdôležitejším prísadám patria:
• zahusťujúce prísady – zvyšujú tiež V.I.,
• depresanty – znižujú bod tuhnutia,
• antioxidanty – zabraňujú oxidácii mazacieho oleja, tvorbe kyslých a lakových produktov,
• detergenty – zmývajú usadeniny a laky z pohyblivých častí motora, neutralizujú kyslé
splodiny z palív a oxidácie oleja,
• disperganty – rozptyľujú a zabraňujú usadzovaniu produktov oxidácie mazacieho oleja,
• protioderové a protizadieracie prísady (VT
prísady a EP – extreme pressure prísady),
• antifrikčné a mazivostné prísady – modifikátory trenia,
• protikorózne prísady,
• prísady proti peneniu,
Prístroj na stanovenie vody podľa Fischera
• protihrdzové prísady atď.
Bez nich nie je možné vyrobiť vysoko kvalitné
mazivá s požadovanými funkčnými vlastnosťami, ako sú:
• stály mazací film, zabraňujúci oderu a opotrebovaniu trúcich sa súčastí,
• stálosť voči oxidácii, najmä pri extrémnych
teplotách,
• obmedzenie tvorby karbónu na pieste
a v spaľovacej komore, na ventiloch a kalov
v olejovej vani dispergovaním uhlíkatých
produktov a detergentných –čistiacich účinkov mazacieho oleja,
• požadovaná viskozitno – teplotná charakteristika oleja, zabezpečujúca pohyb oleja pri
nízkych teplotách (umožňuje dobrý štart)
a dostatočná viskozita pri pracovnej teplote
motora,
• vysoká stabilita proti mechanickej deštrukcii,
• zabezpečenie vysokotlakových mazacích
účinkov,
• efektívna ochrana súčastí agregátov motora
proti korózii produktmi oxidácie,
• odstránenie penenia, zhoršujúceho kvalitu
mazania,
• nízka odparivosť,
• ochrana agregátov pred hrdzavením apod. »
9
TRIBOLÓGIA – TRIBOTECHNIKA
» MOTOROVÉ A PREVODOVÉ OLEJE
Tieto oleje patria k najzložitejším a najpoužívanejším mazacím olejom v praxi. Medzi základné parametre, ktoré musia tieto mazacie
oleje spĺňať, patrí viskozitná trieda a výkonnostná úroveň.
Viskozita vyjadruje mieru vnútorného trenia
oleja – jeho tekutosť. Viskozita oleja sa klasifikuje podľa SAE (Society of Automotive Engineers) do niekoľkých skupín tzv. viskozitných
tried.
Výkonnostná úroveň oleja je druhým dôležitým
parametrom pri hodnotení a výbere motorových a prevodových olejov. Na hodnotenie výkonnostnej úrovne motorového oleja sa aplikujú kritériá troch inštitúcií, a to API (American
Petroleum Institute), ACEA (Association des
Prístroje na meranie viskozity
Constructeursrs Europeens de ľ Automobiles)
a európskych výrobcov automobilov.
Súčasné moderné motorové oleje zabezpečujú rýchlu a účinnú ochranu motora pri studených štartoch pri extrémne nízkych teplotách.
Zároveň šetria motoristom palivo, predlžujú životnosť motora a predlžujú výmenné lehoty.
Motorové oleje tiež zabezpečujú stabilný olejový film pri všetkých zaťaženiach a teplotách,
ochraňujú motor pred koróziou a opotrebovaním alebo znižujú tvorbu škodlivín vo výfukových plynoch.
PREVODOVÉ OLEJE
Prevodové oleje sa zatrieďujú podobne ako motorové oleje do dvoch základných tried, a to
podľa viskozity (SAE) a podľa výkonnosti (API).
Podobne ako motorové, aj prevodové oleje sa rozdeľujú na jednostupňové (monograde)
a viacstupňové (multigrade). Podľa normy SAE
J 306 A sú prevodové oleje rozdelené do dvoch
tried – letná trieda 90, 140 a 250, zimná trieda 75 W, 80 W a 85 W. Podľa výkonnosti sa prevodové oleje zatrieďujú podľa API do 6 tried,
označených písmenami GL (Gear Lubricant)
a čísiel 1 – 6. V praxi sa u nás používajú najmä
prevodové oleje triedy GL 3 – GL 5.
V súčasnosti vyrábané motorové a prevodové oleje spĺňajú požiadavky aj tých najmodernejších automobilov, ktoré sú na našom trhu.
Dokazujú to aj testy našich olejov, ktoré prešli
prísnymi a tvrdými skúšobnými testami, vykonanými v renomovaných domácich a zahraničných skúšobniach. •
Prístroj na meranie bodu vzplanutia
Zisťovanie penenia motorových olejov
[email protected]
PRAVODAJ
» MONITORUJEME DIANIE V STROJÁRSTVE
» TÝDENNE DORUČÍME DO VAŠEJ SCHRÁNKY
viac na www.engineering.sk

@
r
e
t
ls et
w
e
n
HIGH-TECH KOMPRESOROVÉ OLEJE
Správné mazivo má nedílný podíl na výkonnosti zařízení, přesto mnoho podnikových manaerů nepovauje vdy za nutné
investovat čas nebo peníze do programů mazání. Skutečný uitek v oblasti sníení nákladů, který se mnohokrát zprvu
nevidí, se však projevuje v mnoha oblastech. Dobrý program mazání má toti dopad na tři největší poloky rozpočtového
koláče: na spotřebu energie, na strojní díly (zásoby náhradních dílů) a na pracovní sílu. TEXT/FOTO KLÜBER LUBRICATION CZ
okud je používáno správné mazivo, je možné ušetřit čas personálu údržby, protože není nutná častá výměna oleje či není třeba tak často domazávat zařízení. Podnikoví manažeři mohou
také ušetřit peníze na zásobách náhradních dílů, protože díly mají delší
životnost. Energetická účinnost je zcela určitě důležitá pro každého. Při
používání vysoce kvalitních speciálních maziv je možné nejen dosáhnout
vyšší účinnosti zařízení, ale je možno také snížit množství energie potřebné na provoz celého závodu. Snížení množství spotřebované energie
současně přináší další benefit, kterým je zlepšení bilance emisí CO2. Z toho je tedy zřejmé, že správný program mazání je z hlediska celkových
úspor skutečně velmi důležitý.
P
PŘÍKLADY Z PRAXE
Sníení provozních nákladů a zlepšení bilance CO2 pomocí aplikace
syntetických maziv v nápojovém průmyslu
Například výroba, skladování a stáčení piva představují vysoké energetické náklady a tím velkou část provozních nákladů pivovaru. Vysoký potenciál úspor energie zde můžeme nalézt v provozu chladících kompresorů,
kompresorů na stlačování vzduchu a v provozu převodovek, neboť energetickou bilanci je v těchto případech možné výrazně zlepšit právě používáním speciálních maziv.
Na příkladu jednoho pivovaru se třemi výrobními linkami je tedy možné ozřejmit právě na provozu kompresorů a převodovek vysoký potenciál
úspor. Typickým příkladem jsou chladící kompresory s výkonem 200 kW,
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 11/2013
kompresory na stlačování vzduchu o výkonu 300 kW a převody s výkonem 450 kW při provozu. Přechodem na vysoce výkonná maziva je možné docílit zvýšení stupně účinnosti o 0,5 až 15 %. Z toho vzniklé energetické úspory mohou činit až 224 400 kWh. To odpovídá nákladům na
energii více než 400 000 Kč při ceně cca 2 Kč za 1 kWh. Důležitým faktem
je, že přechod na speciální maziva je možné zrealizovat bez vysokých nákladů a v krátké době. Zejména spotřeba energie u kompresorů představuje značnou část provozních nákladů. Pokud vycházíme ze snížení tření
v kompresoru a zlepšené účinnosti těsnění spár, může syntetický kompresorový olej přispět jak ke zvýšení objemového stupně účinnosti, tak
také ke snížení spotřeby energie. Při provozu kompresoru připadá méně
než jedno procento nákladů na kompresorový olej. Syntetické kompresorové oleje jsou sice při nákupu dražší než běžné kompresorové oleje, ale
při celkovém zvážení přesto představují cenově úsporné řešení.
Dalšími faktory, které výrazně ovlivňují provozní náklady a také provozní bezpečnost kompresorů, jsou životnost oleje, jeho sklon k tvorbě zbytků, délka intervalů pro domazávání a obsah par oleje ve vzduchu. Oproti
běžným ropným olejům se vysoce kvalitní syntetické kompresorové oleje
,jako například produkty společnosti Klüber Lubrication vyznačují vysokou stabilitou proti oxidaci.
Kompresorové oleje řady Klüber Summit HySyn FG jsou vyráběné na bázi syntetických uhlovodíků. Na základě jejich stability proti oxidaci je výrazně minimalizována tvorba zbytků. To vedle prodloužených intervalů
pro výměnu oleje vede také k delší životnosti olejových filtrů a odlučovačů oleje, což výrazně snižuje provozní náklady a náklady na údržbu. »
11
TRIBOLÓGIA – TRIBOTECHNIKA
kombinaci používaných druhů energií (fosilní paliva, atomová energie
a obnovitelné zdroje energie) činí v evropském měřítku emise CO2 při výrobě 1 MWh energie přibližně 447 kg oxidu uhličitého. To znamená, že
při úspoře 224 400 kWh je možné bilanci CO2 u jednoho zmíněného pivovaru zlepšit přibližně o 100 tun CO2 ročně.
Sníení provozní teploty a prodlouení intervalů výměny kompresorových
olejů v těkém průmyslu a cementárnách
Životnost kompresorového oleje, jeho sklon k tvorbě úsad, délka intervalů domazávání, zbytky olejových par ve vzduchu, to vše jsou faktory, jak
již bylo řečeno, které podstatně ovlivňují bezpečnost provozu a provozní náklady kompresorů.
Nové kompresorové oleje řady Kluber Summit FG a řady SH mají základ
v syntetických uhlovodících. Jsou tedy vysoce odolné proti oxidaci, čímž
se tvorba úsad zřetelně minimalizuje. To vede vedle prodloužení intervalu výměny oleje také k delší životnosti olejových filtrů a odlučovačů oleje. Díky výměně tradičních minerálních olejů za tyto syntetické oleje od
společnosti Klüber Lubrication tak dochází k podstatnému poklesu servisních a provozních nákladů.
Oleje řady Klüber Summit SH byly vyvinuty speciálně k mazání vysoce zatěžovaných vzduchových kompresorů s intervalem výměny oleje až 10 tisíc
provozních hodin. Jsou všeobecně snášenlivé s těsněními používanými ve
vzduchových kompresorech. Speciální inhibitory pak udržují vnitřní prostor kompresoru v čistotě, a tím zamezují vzniku nákladů na čištění a stejně
tak eliminují neplánované poruchy zařízení.
K usnadnění přechodu od olejů na minerální bázi na nové plně syntetické
FG a SH oleje nabízí Klüber Lubrication čistící koncentrát Kluber Summit Varnasolv, který za provozu účinně odstraňuje zalepeniny, úsady laků a karbonové usazeniny. Zamezí se tak demontáži zařízení za účelem
vyčištění, neboť všechny úsady se v oleji rozpustí a zařízení může být následně bez problémů naplněno novým olejem.
» Také při provozu chladicích kompresorů mají syntetická maziva svoje
silné stránky. Kompresorové oleje řady Klüber Summit R zajišťují na základě menší tvorby usazenin a malého zanášení oleje do chladícího okruhu vysoký stupeň účinnosti. Kromě toho rozšiřují oblast použití chladícího zařízení, částečně až do teploty výparníku -50 °C.
Oleje řady Klüber Summit HySyn FG a řady Klüber Summit R jsou certifikovány podle NSF pro kategorii H1 i podle ISO 21469 a mohou tak být používány v potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Sníženou spotřebu
energie také zajišťují syntetické převodové oleje společnosti Klüber Lubrication, které jsou rovněž certifikované podle NSF pro kategorii H1 a podle
ISO 21469. Na základě vynikající stability použitých syntetických základových olejů proti stárnutí a oxidaci v porovnání s běžnými převodovými oleji
mají opět omnoho delší životnost a mohou významně zvýšit stupeň účinnosti převodů. Jejich dobré viskozitně-teplotní vlastnosti v mnoha případech umožňují používat jednu viskozitní třídu jak za nízkých, tak i za vysokých teplot.
V případě produktů řady Klüberoil 4 UH1… N se jedná o převodové oleje pro normální teplotní oblast a normální zatížení a v určitých případech s nimi lze realizovat dokonce i životnostní mazání. V oblasti vysokých teplot a při vysokých zatíženích se doporučuje používat oleje řady
Klübersynth UH1 6, u kterých optimální vlastnosti tření polyglykolového základového oleje snižují ztrátový výkon a výrazně zlepšují stupeň
účinnosti. Produkt Klübersynth UH1 14-1600 je k dispozici jako tekuté
plastické mazivo, které na základě měkké konzistence umožňuje dobrý přívod maziva na mazací místo. Speciální zpevňovadlo s dobrou adhezí a dobrou protikorozní ochranou tak zajišťuje delší životnost konstrukčních dílů.
Kladné účinky se však neomezují pouze na úsporu energie v provozních
nákladech. Snížení množství spotřebované energie současně přináší, jak
již bylo zmíněno, zlepšení bilance emisí CO2. V závislosti na regionální
Kompresorové oleje
pro bezproblémový provoz.
Dlouhodobý chod a bezproblémový provoz vzduchových kompresorů:
to byl úkol pro naše vývojové inženýry.
Jejich odpovědí jsou speciální oleje, které vynikají vysokou stabilitou
proti oxidaci a stárnutí a taktéž minimální tvorbou úsad.
Tyto speciální oleje vám pomohou snížit provozní náklady svou delší
životností i sníženou spotřebou elektrické energie vašich kompresorů.
Společně tedy docílíme zvýšení spolehlivosti a efektivity vašeho
provozu.
Klüber Lubrication: High-tech oleje přímo od výrobce.
Klüber Lubrication
[email protected] / www.klueber.cz
12
your global specialist
Konkrétním příkladem z praxe, kterému se v této sekci budeme věnovat,
je tedy nasazení kompresorového oleje Klüber Summit SH 68 po předchozím vyčištění vnitřního prostoru kompresoru čistícím koncentrátem
Klüber Summit Varnasol v cementárenském provozu.
Provoz: Šroubový kompresor HAFI / AERZEN 110 kW, max. tlak stlačeného vzduchu 10 bar, provozní tlak: 7,5 – 8 bar, olejová náplň 60 litrů.
Nejprve byl v tomto provozu nasazen produkt Klüber Summit Varnasolv
k pročištění systému od předchozího minerálního kompresorového oleje – ten byl původně měněn každých 3 000 provozních hodin, provozní
teploty se tehdy pohybovaly mezi 89 a 91 °C.
Posléze byl kompresor naplněn syntetickým kompresorovým olejem
KL Summit SH 68. Průběžně je v provozu měřena provozní teplota a kontrolován stav oleje. V první fázi byla analýza stavu oleje provedena po 330
a 975 provozních hodinách. V této fázi byla provozní teplota 82 °C a doporučena další kontrola stavu oleje po 4 000 provozních hodinách. Po
vyhodnocení následné analýzy, kdy byla opět provozní teplota 82 °C, byla navržena další kontrola po 2 000 provozních hodinách. Uspokojivé výsledky analýz, provozní teplota stále 82 °C a průběžné kontroly doporučeny každých 1 000 provozních hodin. V současné době je již „naběháno“ cca
9 000 provozních hodin, stabilní provozní teplota je 82 °C a olej je vhodný pro další použití.
Z výše uvedeného je patrná úspora, a to minimálně dvou výměn oleje (náklady na minimálně 120 litrů minerálního oleje), dalšími prokazatelnými
úsporami jsou náklady na servis 2 x, úspory za dvě výměny olejových filtrů a odlučovačů oleje a rovněž úspory za dvě odstávky – tedy čas nutný
pro provedení výměny oleje.
Z tohoto je zcela jistě zřejmá celková úspora provozních nákladů při použití kvalitních syntetických kompresorových olejů, které jsou sice při nákupu
dražší než běžné minerální kompresorové oleje, ale při celkovém zvážení
představují cenově úsporné řešení. Chcete-li se dozvědět více o naší produktové řadě, školeních či další podpoře našeho týmu technických poradců (opravné mazání, analýzy maziv atd.), navštivte naše stránky www.kluber.com/cz/spravnemazani. •
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 11/2013
13
ZVÁRANIE
UDELENIE JUBILEJNEJ WPQR
Pred niekoľkými týdňami Výskumný ústav zváračský – Priemyselný inštitút Slovenskej republiky (ďalej len VÚZ – PI SR)
udelil jubilejnú dvetisícu WPQR (Welding Procedure Qualification Record). Certifikát získala v energetike dostatočne známa
a renomovaná firma SAG Elektrovod, a. s., Bratislava. TEXT JÁN MINÁR FOTO ARCHÍV MARIAN BARTOŠ
Č
Marian Bartoš
íslo 2 000 a najmä možnosť stretnúť
rozhľadeného človeka v odbore – Ing.
Mariana Bartoša, IWE, špecialistu pre
kooperáciu, výrobu a zváranie z Divízie elektrických vedení tejto bratislavskej firmy, sú dostatočným dôvodom na to, aby sme aj širšej strojárskej verejnosti priblížili jeho inšpiratívne názory
týkajúce sa kvality zvárania, hodnotenia zvarov,
požiadaviek na kvalitu výroby oceľových konštrukcií v energetike v súlade s EUROKÓDMI
a nadväznými národnými normami.
Ing. Bartoš nám objasnil postavenie WPQR
v nich, ich praktický význam v každodennej výrobnej praxi, ako aj súčasné požiadavky na triedy vykonania v EXC3.
Pán Bartoš, ako hodnotíte spoluprácu medzi VÚZ – PI SR a SAG Elektrovod, a. s.,
Bratislava a význam tried zhotovenia
v zmysle EUROKÓDOV, konkrétne EXC3
z hľadiska praxe?
— Hodnotenie je vždy spojené s rekapituláciou, alebo, inak povedané, obzretím sa za minulosťou, kde sa vzal motív tejto spolupráce,
jej užitočnosť, a dnes už aj potreba. Preto uvádzam krátku rekapituláciu, užitočnú najmä pre
nových ľudí z mladej generácie, aby sa nestratila kontinuita pôvodu vedomostí. Lebo, ako
Obr. 1 Loď triedy LIBERTY
24
povedal jeden z najväčších a najúspešnejších
guru v našich nedávnych dejinách, pán Tomáš
Baťa: „Informace nejsou vědomosti!!!“ Toto tvrdenie netreba komentovať hlavne dnes, vo záplavách nevyžiadaných informácií, alebo „trendovo“ povedané, „Informačného smogu“.
Spolupráca týchto podnikov sa datuje od ich vzniku ako reprezentantov kľúčových odborov. Vojnou bol poškodený priemysel a energetika krajiny.
Tento fakt si pri obnove a rekonštrukciách vyžiadal nové prístupy a riešenia. Doznievala éra nitovania a v zbrojárskom priemysle už existovalo pomerne slušne rozvinuté zváranie. A ako to už býva,
každý vojenský konflikt akceleruje výskum a rozvoj nových technológií. Nebolo to inak ani v tomto prípade. Nositelia týchto nových, pre okolitý
svet prevratných, vedomostí a technológií sa za
podpory jednotlivcov i štátu koncentrovali, kde
inde, ako v inštitúte na to zriadenom, ktorým bol
Výskumný ústav zváračský.
V tom čase, z dôvodu nevyhnutnej obnovy zničenej energetiky v povojnovom československom štáte vznikol i štátny podnik Elektrovod
s tromi odštepnými závodmi, ktoré svojou výrobou prakticky prakticky všetky potreby tejto
úlohy. Od výroby stožiarov NN, VN a VVN hlavných a pomocných oceľových konštrukcií rozvodných staníc, cez odliatky, výkovky, žiarové,
ale aj galvanické zinkovanie, vrátane pasivácie
fosfátovaním atď.
V prípade vzniku VÚZ to bola ideálna základňa a koncentrácia vedomostí, ktoré predbehli
dobu. Boli získané a prinesené technickými celebritami priamo z veľmocí techniky, medzi nimi aj z USA, prof. Ing. Jozefom Čabelkom, riešiteľom a človekom oceneným vládou USA za
vyriešenie kardinálneho problému praskania
zvarov celozváraných trupov nákladných lodí triedy LIBERTY! Až ich masovým nasadením sa začala prevažovať miska váh medzi rekordmi potopenej brutto registrovanej tonáže
Spojeneckých konvojov v Atlantiku ponorkami
Kriegs marine a jej náhradou novými celozváranými transportnými loďami (obr. 1).
Práve zváranie pomohlo vyhrať tieto preteky
s časom a ovplyvniť osudový vývoj vojnových
udalostí. Tam sa prvýkrát v tak veľkej vážnosti
ukázal dodnes pretrvávajúci večný boj s vnútorným pnutím zvyškových napätí od prirodzenej
zmraštivosti objemu tavného kúpeľa, prechodovej teploty použitej ocele v nadväznosti na
krehkolomové vlastnosti pri nízkych teplotách
pri plavbe lodí v severnom atlantiku. Samozrejme, k tomu sa pripája rad ďalších súvisiacich
problémov, ktoré vyžadujú hĺbkovú znalosť fyzikálno-metalurgických procesov cez všetky
krivky v FeC a ďalších nadväzných diagramoch.
Ďalším zdrojom svetovo významných vedomostí prameniacich v problematike celozváraných pancierov korieb tankov T-34 cez zváranie špeciálnych zliatin spaľovacích komôr
leteckých motorov Ivčenko, Mikulin, Kuznecov a končiac ťažkými vesmírnymi nosičmi triedy SOJUZ, prameniacich z družby a spolupráce
s Patonovým výskumným ústavom zváračským
v Kyjeve v bývalej ZSSR. A do tretice spolupráca
s českými elitami zo Škodovky, Vítkovíc, POLDY Kladno, ČKD, Aero Vodochody atď. Tam
boli založené zárodky napríklad aj dnes reinkarnovaných technológií zvárania výbuchom
a trecím miešacím zváraním.
Súčasná doba je iracionálne rýchla, plošne všeobjímajúca, samozrejme, na úkor hĺbky čohokoľvek, od citov až po znalosti, a preto vítam
každý motív, či už je to význam WPQR alebo
fenomén Eurokódov na odkrytie hlbšieho významu, prínosu, ako aj technologickej disciplíny a s ňou spojenou výslednou kvalitou výroby oceľovej konštrukcie pre energetiku. Malé
ohliadnutie do histórie určite nezaškodí, veď
odkiaľ by mala čerpať istotu, znalosti a sebavedomie Googlom vychovaná generácia, ak nie
z principiálnej znalosti procesov a fyzikálnej
hĺbkovej znalosti podstaty dejov, počnúc zárodkami, vznikom a rastom dendridov a končiac
termomechanickým spracovaním zušľachtených ocelí. Tu je predpoklad začiatku úspechu
riešenia nových problémov.
Na jednej z konferencií zameranej na výstavbu a rozširovanie jadrových elektrární rôznymi
medzinadnárodnými konzorciami v tomto roku v Prahe zaznela jedna z kľúčových myšlienok
ako výstrel do ticha: „Ale pánové, vždyť tohle jsme my už jednou uměli…!“ Niekto bol týmto
faktom otrasený, niekto nereagoval vôbec. Ale
tak je to už od čias, keď „Veľký dizajnér“ rozdal
celosvetovú menu.
ENGINEERING.SK
Obr. 2 Zvárač na svojom pracovisku musí mať WPS-ku
Dnes v nestenčenej miere pokračuje spolupráca pri spájaní potrieb energetickej praxe a odborných znalostí s VÚZ – PI SR, a to v rôznych
rovinách, či už pedagogickej alebo praktickej, zväčša vyústenej do témy nášho rozhovoru, teda WPQR ako vybrúseného briliantu. SAG
Elektrovod, a. s., vlastní celý rad všeobecnejších
i veľmi špecifických WPQR-iek. Najmä tie ostatné, určené pre špeciálne zliatiny a materiály používané v silovej energetike, sú pomerne
zložité nielen v kombinácii parametrov zvárania, ale aj v striedavo použitých zváracích metódach. Vypilovať ich za aktívnej spolupráce,
a najmä banky znalostí VÚZ – PI SR nebolo ani
časovo ani intelektuálne jednoduché. Preto má
úspešne dotiahnutá WPQR pre výrobcu cenu
know-how.
V procese výstavby energetiky sú rozšírené aj kooperácie, na ktorých sa podieľa množstvo subdodávateľov. Pri výbere
dodávateľov zaznamenávame roztváranie
nožníc kvality. Čím je to dané?
— Jedni len prežívajú, neinvestujú do technológií, nedopĺňajú odborné znalosti podľa súčasných požiadaviek prameniacich hlavne v Eurokódoch; inak povedané, zaostávajú. Druhí aj
keď majú len malé zisky, investujú do intelektuálneho rastu svojich zamestnancov formou školení, seminárov, pravidelných konferencií u nás
aj v ČR, ale najmä nákupom strojov, zodpovedajúcich súčasným požiadavkám triedou presností aj kvalitou obrobených povrchov.
Vôbec nie je pravda, že táto inovácia strojov je
neznesiteľne drahá. Existuje prekypujúci trh
s použitými, repasovanými a garantovanými
strojmi, ktorých je kvôli úpadku strojárskej výroby nadbytok. Preto racionálne uvažujúci výrobcovia s ambíciou spĺňať technické kritériá
v tendrových podmienkach s technicko-intelektuálnou úrovňou zodpovedajúcou požiadavkám Eurokódov a nadväzujúcich národných
noriem, úspešne držia krok s požiadavkami investičných akcií európskej energetiky.
Samozrejme, aj tu môže zohrať rolu ľudský faktor, subdodávateľské zlyhanie, najmä v kvalite
zinkovania oceľových konštrukcií a spájacieho
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 11/2013
materiálu, za ktorý sú plne zodpovední s dôsledkami voči investorovi. Preto je úloha šéfinžinieringu, technického dozoru pri výrobe,
preberacieho konania oceľových konštrukcií,
navýsosť dôležitá pre obe strany, pre výrobcu, aj pre investora. To si však vyžaduje vychovať špecialistov s dôkladnou znalosťou všetkých technológií použitých v procese výroby,
jej postupov, jednotlivých operácií, zvárania,
odstraňovania geometrických deformácií spôsobených pnutím zvyškových napätí, laserovej metrológie a povrchovej úpravy, či už zinkovaním, šopovaním alebo pasiváciou. Dnes, so
vstupom medzinárodných energetických spoločností, či už ako majiteľov alebo investorov,
no vždy významných hráčov, treba ovládať všetko. Či už operatívne, kontrolou rázovej energie
použitých ocelí, spektrálnej analýzy chemického zloženia, dokladovaním vrubovej húževnatosti za nízkych teplôt, najmä pre naše zákazky
SAG Elektrovod, a. s., realizované za polárnym
kruhom. Svet zotrel hranice nielen na mape, ale
aj vo vedomostiach.
Nepovažuje to výrobca len za akúsi administratívnu prekážku, ktorá ho zbytočne
zaťaží ako sa to vnímalo v minulosti v súvislosti s inými predpismi, napr. systémom
kvality?
— Tak mohli uvažovať administratívne založení ľudia, ale ja som väčšinu svojho času strávil vo výrobných dielňach a bol som priamo
účastný pri zváracích procesoch; čiže praktici vedia oceniť prínos WPS-ky a najmä fakt, že
je to veľké uľahčenie pre zvárača. WPQR je nezastupiteľná hlavne pre opakovateľnú kvalitu. Opakovateľná kvalita sa rodí každé ráno na
operatívnych či výrobných poradách a realizuje sa vo výrobných halách pod dohľadom zodpovedných vedúcich, majstrov, či vyškolených
zváračov. Tam sa už len udržiava technologická disciplína. Technologická disciplína vyústi
do úspešne prebranej zákazky, a tam má WPQR
pretavená do WPS nezastupiteľnú cenu.
Kto nedodrží predpísanú WPS-ku, je v podstate sabotér, lebo, samozrejme, nastane kolísanie kvality zvarov a dnes, keď má ultrazvuková
kontrola kvality čoraz väčšie percentuálne zastúpenie, je opakovateľná kvalita alfou i omegou úspechu. Preto, keď chodím dozorovať
a preberať oceľové konštrukcie po závodoch,
kladiem dôraz predovšetkým na kontinuálnu
kvalitu. To znamená, že kontrolujem aj aktuálne použitie WPS. Pokiaľ má zvárač na svojom
pracovisku „prišpendlenú“ WPS-ku a na digitálnom displeji jeho zváračky sú stanovené parametre, je to z tohto pohľadu v poriadku (obr. 2).
Opakom je, keď improvizuje po pamäti a skĺzne
do rutiny.
Zváranie je nezastupiteľné, no treba povedať, že
drvivá väčšina stožiarov v energetike je skrutkovaných, ale má i množstvo zváraných detailov.
Konkrétne sú to špice alebo silové uzly. Objavuje sa však aj nový fenomén, ktorý sa vyskytuje najmä v ČR, kde ide o rekonštrukcie rozvodných staníc a prenosových ciest z patinujúcich
ocelí typu Atmofix alebo Corten, čo v dnešnom
označení zodpovedá triede 15 217.
Pre časť verejnosti treba povedať, že tieto konštrukcie neboli žiarovo zinkované, ale na dosiahnutiu ich životnosti bola použitá vtedajšia
novinka (60. roky minulého storočia), a to patinujúce ocele uvedených typov. Dá sa povedať, že rozvodné stanice a prenosové cesty VN
a VVN z týchto materiálov boli preferované najmä v ČR, kde bola motívom ich použitia úspora nákladov na povrchovú ochranu žiarovým
zinkovaním, úspora za nátery počas životnosti daná protikoróznou stabilitou novovytvorenej patinujúcej vrstvy s nepatrným koróznym
úbytkom.
Ako sa ukázalo z hľadiska dnešných skúseností,
tento predpoklad reálne platí na jednoduchých
plochách, ale v silových uzloch a detailoch, kde sa
trvalo kumuluje a udržiava vlhkosť, korózne úbytky prevyšujú ostatné plochy, a preto sa pristupuje
k ich rekonštrukciám. Ich množstvo predstavuje
určitú perspektívu v aplikácii zvárania.
Ďalšie úlohy zvárania spočívajú v perspektíve
použitia ohraňovaných stožiarov u nás a najmä v zahraničí, kde sa používajú v rámci potreby zvýšenia odolnosti liniek prenosových ciest
kvôli nezadržateľne postupujúcim klimatickým zmenám. Tie sa prejavujú v podobe poryvových vetrov, vyšších hodnôt špičkových namáhaní na vodičoch i na driekoch stožiarov. Na
túto tému zaznievajú alarmujúce prednášky na
pôde ČEPS-u, ČVUT i oceliarskych konferenciách a po tornádach a smrštiach, ktorých hustota sa na našich územiach zväčšuje, určite budú
mať rastúci trend. Súbežne s nimi je rozpracovávaný vplyv „black outu“ na obyvateľstvo a ďalší chod krajiny.
Investori začínajú tvrdo presadzovať požiadavku vyhotovenia oceľových konštrukcií v kvalite EXC3. Ako to vidíte
z tohto hľadiska?
— Trieda kvality vyhotovenia v EXC3 pramení z eurokódov. Čo sa týka Eurokódu Zásady navrhovania konštrukcií, zavedeného v slovenskej verzii európskej normy EN 1990 do
STN EN 1990/A1/NA ako národnej prílohy »
25
ZVÁRANIE
Obr. 3 Schéma razenia otvorov
» a Európskej normy EN 1993 zavedenej v súbore STN EN 1993 Eurokód 3 Navrhovanie oceľových konštrukcií, ale aj v STN EN 1090-2 Zhotovovanie oceľových a hliníkových konštrukcií,
členské štáty EÚ a EZVO uznali, že eurokódy slúžia ako referenčné dokumenty na preukázanie zhody požadovanej v smernici Rady
89/106/EHS, kde sa energetiky týka najmä požiadavka č. 1 – Mechanická odolnosť a stabilita
– ako podklad na uzatváranie zmlúv na stavby
a s tým súvisiace inžinierske služby. Preto eurokódy poskytujú pravidlá navrhovania konštrukcií na bežné používania od návrhu, až po
výrobu. Pre čitateľov, ktorí neprichádzajú do
kontaktu s predmetom otázky EXC, ale aj, ako
sa stretávam s manažmentom závodov usilujúcich sa získať zákazku, stručne zhrniem hlavné rozdiely v hladinách vyhotovenia stanovené
v Eurokóde 3 a STN EN 1090-2 + A1 Zhotovovanie oceľových a hliníkových konštrukcií.
Obr. 4 Výstriok diery – „štupel“
Obr. 5 Výsledná diera s vytrhnutím cca 2/3 hrúbky materiálu
Rozdiel hlavných podmienok. V benevolentnejšej EXC 2 zváranie podľa STN EN ISO 5817
v strednej hladine C, môžem mať okolo zvarov rozstrek guličiek zvarového kovu a diery
pre skrutkové spoje môžem vykonávať razením.
V EXC 3 je požadovaná u zvarov hladina B, teda vysoká kvalita, odstrániť rozstrek zvarového
kovu okolo zvarov a diery vŕtať – teda zaručiť im
valcovú vnútornú dosadaciu plochu pre driek
26
skrutky, čo sa prejavuje zvýšením šmykom namáhaných spojov v únosnosti na odtlačenie dosadacej plochy. Rozdiely v technológii teda malé, ale úžitkové vlastnosti pre investora veľké.
Najmä ostatná je významná pre zvýšenie odolnosti, a teda bezpečnosti prenosových ciest
v energetike, lebo pri priehradových stožiaroch, pokiaľ sa stavajú a preberajú v dobrom
počasí, všetky vôle a styky sú vytesnené gravitáciou a váhou stožiara. Prichádzajú však klimatické zmeny so svojimi tornádami a poryvovými vetrami, kde spoje, keďže nie sú v kategórii
VP – trecie, sa môžu voči sebe pohybovať. Od
dier pre skrutku M 16 a vyššie je to súčet vôlí
2 + 2 mm. Teda pohyb diagonál voči rohovým
uholníkom alebo v stykových doskách môže byť
až 4 mm! V silnej víchrici je konštrukcia dynamicky namáhaná nárazmi vetra sama o sebe,
ale najmä od rozkývania a vibrácií zväzkov vodičov. Samozrejme, tieto dynamické účinky ešte zhoršuje námraza. Vtedy už gravitačné dosadanie v dierach neplatí a spoje, najmä diery na
odtlačenie dosadacej plochy, sú namáhané nárazmi. Ak driek skrutky v razenej diere (obr. 3, 4
a 5) dosadá len na cca 1/3 hrúbky steny, teda zónu strihu nenadväzujúcu svojim priemerom
na zónu odtrhnutia s výtržným kužeľom, sú
v miestach dotyku vysoké parciálne tlaky, prevyšujúce pevnosť materiálu v tlaku, a teda prirodzene dôjde k odtlačeniu steny takejto diery
a vzniku ovality. Tým sa však ešte zhoršia pohybové možnosti spoja, čím klesne montážna tuhosť zostavy.
Oválne diery a veľké vôle nie sú v takejto krízovej situácii priateľom dynamicky namáhanej
konštrukcie, lebo posuvmi a nárazmi vytvárajú
v materiáli napäťové špičky, ktoré v dierou oslabenej stene hrajú v prospech pretrhnutia oka na
koncoch diagonál, alebo sčítaním vôlí k preťaženiu a vybúleniu – inperfekcii tlačeného profilu, čo je napokon veľmi precízne monitorovaný dôvod zrútenia stožiara. Na túto tému vyšlo
v odborných časopisoch niekoľko článkov.
Tieto poznatky však nie sú nové. Prvýkrát sa
Elektrovod, ešte štátny podnik, stretol s požiadavkou výhradne vŕtaných dier od delegácie
ministerstva energetiky Egypta. V rokoch 1980
– 1983 cez Škoda export Praha navštívila delegácia expertov a odborníkov náš výrobný závod
ELV Žilina s významnou zákazkou 400 kV strategickej prenosovej cesty en bloc, teda i stožiarov.
Aké však bolo rozčarovanie na oboch stranách,
keď po prehliadke stožiarovne už vtedy vybavenej modernými dierovacími strojmi značky VERNET nám vysvetlili, že v projekte sú požadované
výhradne vŕtané diery. Treba si uvedomiť, že stožiar je vlastne „samá diera“ (obr. 6), niekde hustejšie (stykové dosky), inde redšie, diagonály, stúpačky, špice, konzoly atď. Pri rozbore situácie
jeden z expertov, v USA vyštudovaný egyptský
inžinier, vysvetlil priepastný rozdiel v únosnosti na odtlačenie medzi vŕtanou a razenou dierou. Po tejto skúsenosti generálny riaditeľ Ing.
Lukačka (významný človek z pohľadu budovania
celoštátnej energetiky) pochopil a vydobyl vzácne, limitované devízové prostriedky z FMPETIR
Obr. 6 Priehradové stoiare sú v podstate samá diera
(Federálne ministerstvo palív energetiky, techniky a investičného rozvoja ČSSR) Praha na nákup
prvého numericky riadeného kombinovaného
vŕtaco-dierovacieho stroja značky VERNET, model C, CNC. Mal som česť technicky ho vyšpecifikovať a prebrať (obr. 7), lebo išlo o stavebnicovú koncepciu.
Obr. 7 Preberanie CNC stroja VERNET, Ing. Bartoš prvý
sprava
Takže, frekvenčne riadené asynchrónne vŕtacie jednotky v počte štyroch vretien už vtedy vŕtali vysokou rýchlosťou a s krátkym časom valcové, rozmerovo precízne cylindrické diery so
zrkadlovým povrchom, rýchlosťou porovnateľnou s časmi hydraulického razenia (obr. 8). Vretená boli vybavené držiakmi – vrtákmi značky KRUPP s dvomi vymeniteľnými doštičkami
4 krát otočnými, pričom len jedna z nich určovala výsledný presný priemer diery. Diery boli teda presné, valcové so zrkadlovo hladkým
povrchom, teda vysoko únosné voči odtlačeniu pri namáhaní skrutky šmykom, čo sa nedá
ENGINEERING.SK
povedať o dierach razených strižníkom, kde
vzniká 1/3 hrúbky strih a 2/3 hrúbky materiálu ako zóna odtrhnutia s charakteristickým kužeľom a vytrhanými stenami plochy s vyčerpanou elasticitou a veľkou plasticitou, vplyvom
hlbokej drsnosti a sieťou trhlín. Toľko v krátkosti o rozdiele medzi razenou a vŕtanou dierou (obr. 8).
Obr. 8 Porovnanie povrchu diery – vŕtaná diera
V súvislosti s rešpektovaním požiadaviek obsiahnutých v EXC3 sa nastoľuje otázka, prečo
by cena konštrukcie mala byť vyššia? Veď predsa
oškrabať okolie zvarov od rozstreku a vyhotoviť
ich s prípustnými chybami v hladine B, prevŕtať
cylindrické diery a sledovať identitu materiálu
v toku výroby, nie sú požiadavky v ničom výnimočné dnes, ale ani dávno predtým.
Vo svete energetiky je táto úroveň kvality výroby bežná, v čom máme skúsenosti z výstavby
a šéfinžinieringu nami realizovaných zákaziek
na Islande (obr. 9), Švédsku, Fínsku (obr. 10)
a Grónsku (obr. 11), kde dodal oceľové konštrukcie jeden z významných svetových výrobcov.
Naštudovaním už uvedených Eurokódov a noriem musím pod tlakom reálnych argumentov,
najmä z praxe výroby konštatovať, že od čias
druhej svetovej vojny bolo skutočne nutné zaviesť potrebnú opakovateľnú technologickú
disciplínu do Európskou úniou zjednoteného
Obr. 9 Výstavba prenosovej cesty na Islande
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 11/2013
priemyslu. Lokálne – regionálne náhľady na postačujúcu kvalitu sa totiž diametrálne líšia, čo
môžem pozorovať pri šéfinžinieringu, dohľade výroby a preberaní oceľových konštrukcií.
Názory výrobcov sú vždy motivované prianím
zľahčovať zistené nedostatky – nezhody s výkresovou dokumentáciou a historicky opakovanou známou hrou „vadí-nevadí“. Preto pravidlá
a mantinely vopred známe výrobcovi aj dozoru
zjednodušujú túto hru. A to platilo a platí v atómovom priemysle aj v energetike, prosto všade, kde sa očakáva hladina úrovne vedomostí,
technického intelektu, fortieľu, presnosti, precíznosti, ktoré nám vo výrobe poskytujú súčasné NC riadené strojové zariadenia s toleranciami úmernými roku 2013.
Z citovaných dokumentov jasne vyplýva, že stanovenie triedy vyhotovenia v škále EXC3 je výsostne vecou zodpovednosti projektanta a strategického poňatia projektu zo strany investora.
Spochybňovanie zatriedenia z pohľadu relatívne malej cenovej rozdielnosti nereflektuje globálno-strategický pohľad na zodpovednosť voči energetickej bezpečnosti, dnes už v rámci EÚ
previazanej energetickej siete. A to je zaväzujúce! Samozrejme, že existujú a vždy budú existovať aj iné pohľady a názory, najmä individuálne motivované.
Aké významné investičné akcie realizoval
Elektrovod v minulosti?
— Elektrovod ešte pred transformáciou na
SAG Elektrovod, a. s., upútal zahraničných investorov tým, že sa presadil svojimi dlhoročnými skúsenosťami a odbornými vedomosťami aj v zahraničí. Ešte za predchádzajúceho
spoločenského zriadenia okrem obnovy a výstavby československej energetiky v období priemyselnej expanzie svojimi aktivitami
na Blízkom východe, či už v oblasti výstavby
tepelných elektrární, napr. V Homse, ako aj
Obr. 10 Výstavba prenosovej cesty vo Fínsku
výstavbou nových prenosových ciest v hladine
úrovne napätí VVN. Po transformácii, opäť pri
súbežných aktivitách v Českej a Slovenskej republike, ale i v Slovinsku, išlo o technicky náročné akcie vo Fínsku, Grónsku a na Islande.
Z pohľadu zvárania práve investičná akcia realizovaná na Islande bola odborne i technologicky veľmi poučná. Išlo tam o prepojenie podzemnej vodnej elektrárne s novovybudovaným
veľkým priemyselným podnikom na výrobu
a spracovanie hliníka.
Tam boli prvýkrát použité tvarovo komplikované a rozmerovo obrovské, ale hlavne určite najodolnejšie ohraňované stožiare na zemeguli.
Nemožno sa čudovať, lebo išlo o stavbu za polárnym kruhom, kde je klimatické namáhanie
stožiarov najvyššie, a preto investor ani projektant nešli do rizika v klimaticky exponovaných
úsekoch s veľkým výškovým prevýšením (a s rizikom lavín a nárazových vetrov), klasickými
priehradovými konštrukciami, ale stavili na istotu a použili ohraňované (tubulárne) stožiare
s prírubami. Ako sa ukázalo, skúsenosť s týmito ohraňovanými stožiarmi je veľmi užitočná, lebo v Európe sa teraz „rozsypalo vrece“ s klimatickými zmenami od poryvových vetrov a smrští
až po skutočné tornáda, s tvrdými dôsledkami
pre energetiku. Minulý, ale i tento rok na Slovensku, v Čechách, Poľsku a v Maďarsko zaznamenali niekoľko ničivých tornád. Vždy je vecou
náhody a šťastia ako je nasmerovaná trasa a os
tornáda s jeho devastujúcimi účinkami. Denne
nás o tom presviedčajú zábery koridorov s polámanými statnými stromami a odtrhnutými strechami či zrútenými kostolnými vežami. Databáza dominovým efektom zničených prenosových
ciest s počtom 64 spadnutých stožiarov, 17 stožiarov a ďalšie menšie počty spadnutých stožiarov prenosových ciest motivuje zodpovedných k zvýšeniu odolnosti prenosových ciest. »
Obr. 11 Výstavba prenosovej cesty v Grónsku vrtuľníkom
s pomocou automatických stykových uzlov
27
ZVÁRANIE
Obr. 12 Námraza spôsobuje nielen pretrhnutie elektrických vodičov, ale hlavne pád stoiarov dominovým efektom
» Nielen z nášho pohľadu, ale aj z pohľadu zahraničných skúseností (obr. 12), vedie cesta
k zvýšeniu odolnosti prenosových ciest k použitiu koncepčne iných, odolnejších ohraňovaných
stožiarov s mimoriadnymi mechanicko-fyzikálnymi vlastnosťami. Tie sú predmetom prednášok na konferenciách ČEPS-u, ale aj záujmu
vedenia SEPS-u – Slovenskej energetickej prenosovej sústavy, kde je zváranie týchto stožiarov
alfou i omegoa. Treba poznamenať, že inšpirácia k týmto typom stožiarov prišla z Francúzka
v 70. rokoch a v našom podniku sa uskutočnil
elementárny vývoj i praktické testy. Potom nastal relatívne dlhodobý útlm, ale príchod klimatických zmien znova naštartoval aktuálnosť
tejto témy. V skúšobni Elektrovodu Žilina, a. s.,
úspešne otestovali ohraňované stožiare novej
generácie (obr. 13 a 14).
Dnes je vybudovaná nová trasa v náročnom kopcovitom teréne pri Ružomberku s použitím najmodernejších ohraňovaných stožiarov (obr. 15).
Ohraňované stožiare, kde zváranie a s ním súvisiace WPQR a WPS-ky majú nezastupiteľnú hodnotu, lebo dá sa povedať, že sú to celozvárané stožiare, aj keď diely sú na seba len nasunuté. Ani
to však nemusí byť pravda, lebo na Islande sme
použili technológiu spájania dielov na príruby
(obr. 16), a tam sú príruby veľmi kruto a tvrdo skúšané na kvalitu zvarov práve z dôvodu namáhania.
Čiže možno zhrnúť, že ďalší vývoj tejto civilizácie je odkázaný už len na kvalitu zvárania. Žiadna iná technológia ju nevie zastúpiť,
až do nástupu antihmoty, ako naznačujú výsledky LHC (Large Hadron Colidor) a vedci
z CERN-u. Bolo by možné poukázať na mnohé ďalšie príklady… •
Obr. 14 Ukáka jednej z vlastností ohraňovaného stoiara –
elastická deformácia celého stoiara pri skúšobnom zaťaení
bez trvalého poškodenia
Obr. 13 Skúšobňa firmy Elektrovod ilina a. s.
Obr. 15 Nová trasa s pouitím ohraňovaných stoiarov pri
Ruomberku
Obr. 16 Príruby na spájanie stoiarov môu mať veľké rozmery
28
ENGINEERING.SK
ÚDRBA
Obr. 1 Průmyslový kompresor pístového typu
ÚDRBA STROJNÍHO ZAŘÍZENÍ PODLE STAVU –
PŘECHOD NA KONCEPCI PŘÍPUSTNÉHO POŠKOZENÍ
Koncepce typu „bezpečný ivot“ prokazuje ivotnost stroje s konzervativními výsledky. Aplikace přístupu „přípustné
poškození“ přináší výhody při návrhu nové konstruk ce i při provozu stárnoucích. Vyadována je analýza konstrukce
a identifikována jsou kritická místa. Po popsání lokálních podmínek zatíení a vlastností materiálu je navren systém
periodických defektoskopických kontrol. TEXT/FOTO JIŘÍ BĚHAL, ČKD KOMPRESORY, A. S.
P
ro prohlídky jsou používány prostředky nedestruktivního zkoušení.
Ilustrována je případová studie návrhu nápravných opatření pro obnovení průkazu
provozní spolehlivosti pístového kompresoru.
MOTIVACE
Strojní zařízení v průmyslových technologiích
bývají dimenzována pro provoz v řádu několika let až desetiletí. Zatěžování během provozu
vedou k degradaci integrity konstrukčních materiálů, v naprosté většině kovových. Po nějaké
době vzniká v kritickém průřezu namáhaného
dílu únavová trhlina. Při pokračujícím provozu se trhlina šíří tělem dílu a vede k tzv. únavovému lomu. Pokud je zatížení přenášeno více
cestami, může být dále přenášeno paralelními
prvky, které jsou však po porušení prvního již
přetěžované a i jejich životnost je brzy vyčerpána. Následuje havárie zařízení.
Tradičním opatřením bezpečného provozu je
vyjmout konstrukci z provozu dříve, než začne narůstat riziko havárie v důsledku stárnutí
konstrukce. Takový systém vede ke značně konzervativním výsledkům a značná část kapacity
konstrukce zůstává nevyužita. S rozvojem technologií kontroly a měření je moderní hodnotit
konstrukci podle skutečného stavu a provozovat ji až do okamihu výskytu varovného stavu,
který těsně předchází havárii.
METODIKA
Na dané konstrukci je třeba vytipovat kritická
místa, která budou spadat pod hodnocení přípustného poškození. Typicky se jedná o oblasti koncentrace mechanického napětí, jako jsou
fáze únavového života
přístup návrhu
situace v provozu
iniciace trhliny
bezpečný život
únavové poškození materiálu je vyloučeno
šíření trhliny
přípustné poškození
šířící se trhlina
poškození primární konstrukce
defektoskopické prohlídky
lom
bezpečný při poruše
přenos zatížení několika cestami
prohlídky při údržbě
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 11/2013
např. Vruby, nebo náhlé změny nosného průřezu. V těchto vybraných místech je předpokládán výskyt poruchy; typicky se jedná o únavovou trhlinu, a stanovena je rychlost jejího šíření
během provozu. Mnoho případů lze s dostatečnou přesností a přiměřenými náklady řešit
analyticky modelem o náhradním průřezu; pro
obecné případy je rozpracována metoda konečných prvků. Uvažovány jsou různé módy lokálního zatížení, obr. 2, 3. Rychlost šíření trhliny
je odvozena od lokální hodnoty faktoru intenzity napětí
(1)
kde  je mechanické napětí v kritickém místě, a je
délka trhliny a Y je korekční funkce zohledňující
konečné geometrické rozměry tělesa. Pokud nejsou hodnoty korekční funkce Y známy z publikovaných příkladů a typických úloh, je pro určení hodnoty faktoru intenzity napětí metodou konečných
prvků vhodnější alternativa hodnocení tzv. J-integrálu, který je s K-faktorem svázán vztahem
(2)
kde E a  jsou materiálové konstanty a indexy
I až III odkazují příslušný mód zatěžování trhliny. »
31
ÚDRBA
Interval defektoskopických prohlídek se určuje
jako část z vypočítaného období, kdy je trhlina
již detekovatelná, ale ještě nedosáhla kritického stavu. Velikost detekovatelné trhliny závisí
na zvolené metodě nedestruktivního zkoušení,
běžně se pohybuje v řádech desetin až jednotek mm.
Systém periodických prohlídek se u nových
konstrukcí spouští překročením určitého prahu, většinou vztaženého k plánované době provozu a předpokládanému dosažení detekovatelné velikosti defektu v daném kritickém místě.
Pokud je práh vyhodnocen příliš vysoko, jsou
vybrané konstrukce prohlíženy již dříve, obr. 5.
Obr. 2 Lom dilu po vyčerpání skutečné ivotnosti
strojního zařízení
Obr. 3 Zjednodušené modely lokálního zatíení v oblasti
trhliny
» Problematice modelování únavových trhlin se
věnuje např. [1], [2], [3].
Konstrukční materiál je reprezentován růstovou křivkou, která popisuje závislost rychlosti
šíření trhliny na hodnotě rozkmitu faktoru intenzity napětí. Materiálová data je nejlepší naměřit přímo na zkušebních tělesech z daného
materiálu, nebo lze použít již publikované knihovny. Křivka se často zjednodušuje do podoby
tzv. Parisova vztahu
(3)
kde da je přírůstek délky trhliny po dN aplikovaných cyklech zatížení, které v místě trhliny
vytvářely hodnotu faktoru intenzity napětí K,
resp. jeho rozkmitu ΔK. Parametry C a n jsou
materiálové konstanty. Popis oblasti tzv. krátkých trhlin je nejistý, avšak v praxi se často nachází mimo oblast inženýrských délek trhliny
a není je třeba blíže řešit. Naopak, zrychlování
růstu trhliny v oblasti vysokých hodnot K-faktoru lze zjednodušit do prostého omezení kritickou hodnotou faktoru intenzity napětí KC,
neboť tato fáze růstu trhliny je z pohledu doby
života poměrně krátká a její vliv na stanovení
periody prohlídek je malý. Principy lomové mechaniky názorně popisuje např. [4].
Obr. 4 Určení intervalu prohlídek
32
povrchu zkoušeného objektu již dlouhodobě
provozovaného apod. Snaha o vykazování příliš vysoké pravděpodobnosti detekce přináší
i nežádoucí výskyt chyby tzv. druhého druhu,
tedy možnost falešného alarmu.
APLIKACE
Výhody přechodu na koncepci přípustného poškození lze ilustrovat na příkladu prodloužení
života pístového kompresoru. Analýzou havárie stroje, který byl provozován daleko za svým
návrhovým životem, se kritickým místem ukázalo malé oko ojnice. Protože provozovatel měl
zájem v co nejkratší době prokázat bezpečnost
provozu dalších zařízení stejného typu a pokračovat ve své produkci, provedlo se nejdříve
rychlé hodnocení situace empirickými vztahy
a analytickými nástroji. Určená perioda prohlídek byla následně upřesněna podrobnějším
rozborem s využitím numerických metod.
Obr. 5 Pokrytí prohlídkami
DEFEKTOSKOPICKÉ PROHLÍDKY
Defektoskopických metod vhodných k detekci
únavové trhliny je k dispozici celá řada.
Z tradičních se často volí např.:
– ultrazvuk (objemová metoda),
– vířivé proudy,
– kapilární zkouška,
– magnetická prášková,
– vizuální,
z pokrokových např.
– termokamera, nebo
– akustická emise.
Výběr defektoskopické metody je dán rozborem
nákladů a přínosů. Náklady jsou tvořeny zejména jednorázovou položkou při zavedení metody:
– přístrojové vybavení,
– kvalifikace personálu,
– vyvinutí specifické procedury/instrukce.
a následně při každé z opakovaných prohlídek:
– odstavení zařízení z provozu,
– příprava pro prohlídku,
– vlastní inspekce,
– znovuuvedení zařízení do provozu.
Přínosy lze vyjádřit pravděpodobností detekce trhliny určité
velikosti. Levnější a jednodušší
NDT metody zpravidla vedou
k nižší spolehlivosti detekce
a potřebě častého opakování
prohlídek. Někdy je účelná
aplikace prohlídek v několika
úrovních s kombinací více metod. Kromě velikosti existující trhliny a metody samotné je
pravděpodobnost detekce významně ovlivněna i pracovními podmínkami v místě provozu. Zde je třeba zohlednit
výkon personálu v mnohdy
stísněných podmínkách, stav
Obr. 6 Model ojnice pístového kompresoru
Obr. 7 Únavová trhlina simulovaná v malém oku ojnice
PREDICTIVE MAINTENANCE
OF INDUSTRIAL EQUIPMENT
– APPLICATION OF DAMAGE
TOLERANCE APPROACH
A “safe life” design proves an
operation safety with a conservative
result. Application of “damage
tolerance” approach brings a benefit
in both new structure design as well
as an aged one operation. A thorough
structure analysis is demanded and
critical areas are identified. After
local condition understanding and
feature investigation, a system of
periodical inspections is submitted.
The inspections use methods of nondestructive testing. A case study of
a reciprocating compressor reliability
re-establishment is illustrated. •
ENGINEERING.SK
Obr. 8 Odhadované růstové křivky únavové trhliny
» Zavedením hodnocení podle skutečného stavu se podařilo prokázat bezpečnost pokračujícího provozu zařízení za přijatelně zvýšených nákladů na periodické defektoskopické prohlídky
kritického místa. Zbývající stroje byly opět uvedeny do provozu v řádech týdnů od havárie prvního kusu. Simulace šíření trhliny je popsána
v [5], aplikace přístupu přípustného poškození
byla prezentována na [6].
ZÁVĚR
Aplikací moderních postupů průkazu spolehlivosti lze provozovat strojní zařízení podstatně
déle, než bylo stanoveno dřívějšími konzervativními přístupy. Atraktivní je i prodlužování
života stárnoucích konstrukcí, kdy lze dočasně nebo někdy i trvale řešit vzdálený termín pro
výrobu a dodání nového zařízení.
Program údržby podle stavu je plánován s uvážením faktorů:
– kritické místo,
– mechanizmus poškozování,
– rychlost rozvoje poškození (růst trhliny),
– detekovatelnost poškození.
Pro dané zařízení je třeba určit:
– prohlížené oblasti,
– výběr defektoskopické metody,
– počátek periodických prohlídek,
– interval prohlídek.
Praktická aplikace je charakteristická následujícími kroky:
– určení kritické oblasti konstrukce,
– stanovení provozních zatížení a namáhání
materiálu,
– výpočet pevnostních a lomových charakteristik,
– doba do iniciace,
– rychlost šíření defektu,
– kritická velikost trhliny,
– výběr vhodné defektoskopické metody
– detekovatelná velikost defektu,
– náklady na prohlídku,
– plánování systému provozních prohlídek.
Prezentovaný postup představuje snadnou cestu ke zvýšení užitné hodnoty mnoha strojních
zařízení tím, že budou provozována podstatně
delší dobu, než bylo prokázáno původním konzervativním návrhem. Při aplikaci je samozřejmě potřeba jisté opatrnosti, zejména při sestavování modelů a interpretaci dat. Značný rozdíl
může být mezi modely, vycházejícími z konstrukčních podkladů a reálným stavem zařízení
provozovaného několik desítek let. Rovněž použití výpočetní techniky by mělo být jen pro
úsporu času a zvýšení kapacity, implementovaným fyzikálním i matematickým vztahům musí
inženýr dobře rozumět a být schopen kteroukoliv část zautomatizovaného řešení kontrolovat.
Spolehnutí se na výsledky asistovaných analýz
může snadno vést ke zcela nereálným výsledkům a ve svém důsledku i k značným škodám. •
LITERATURA:
[1] Bist, S.; Kannusamy, R.: Predicting 3-D
Fatigue Cracks without a Crystal Ball.
ANSYS Advantage Vol.III, Iss.1, 2009
[2] Brooks, C.; Honeycutt, K.; Domasky, S.
P.: Implementing Models and Libraries.
Report No.AFRL-VA-WP-TR-2006-3043,
AP/ES Inc., 2006
[3] Fatigue Crack Propagation Analysis in
ANSYS. CAE Associates 2011
[4] Kunz, J.: Základy lomové mechaniky,
ČVUT 2000
[5] Běhal, J.: Crack Growth Simulation in
the course of Industrial Equipment Life
Extension, 20th SVSFEM ANSYS Users‘
Group Meeting and Conference 2012,
ISBN 978-80-260-2722-5
[6] Běhal, J.: Prodlužování života strojních
zařízení aplikací periodických
defektoskopických prohlídek, Prevádzková
spoľahlivosť výrobných zariadení
v chemickom priemysle a energetike, ISBN
978-80-227-3806-4
TRADIČNĚ ÚSPĚŠNÁ PREZENTACE
FRANCOUZSKÝCH FIREM
Celkem 16 předních francouzských vystavovatelů především z oborů jednoúčelové stroje, pruiny, přenos výkonu nebo
zpracování plastů se účastní letošního Mezinárodního strojírenského veletrhu v Brně. Francouzské expozice jbyly umístěny
v pavilonech V a G. Akci organizovala Francouzsko-česká obchodní komora (FČOK). TEXT JIŘÍ SOSNA
„Ú
čast na veletrhu umožňuje francouzským podnikům představit zájemcům zejména z řad odborné veřejnosti poslední inovace v oboru, zviditelnit se na českém trhu a navázat obchodní
kontakty s potencionálními klienty a dodavateli. Pomocnou ruku v navazování mezinárodních obchodních vztahů firmám podává i Francouzsko-česká obchodní komora, která je oficiálním zástupcem MSV pro Francii,
stará se o komunikaci a propagaci Francouzského pavilonu a jeho vystavovatelů a poskytuje vystavovatelům obchodní a technickou podporu pro
účast na veletrhu,“ řekl Michal Macko, obchodní ředitel Francouzsko-české obchodní komory.
Ta byla založena v březnu 1996 a velmi rychle si získala podporu francouzských společností působících v České republice. Dnes má FČOK
272 členů, z čehož 57 procent tvoří francouzské firmy, 32 procent české
firmy a 11 procent firmy s mezinárodní účastí. Mezi členy patří i některé asociace a individuální členové. Francouzsko-česká obchodní komora
zastupuje francouzské strojírenství na MSV již 11 let. Během nich prošlo
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 11/2013
pavilonem přes 120 firem, z toho více než polovina se zúčastnila opakovaně. Většině vystavovatelů se podařilo nalézt v ČR klienty, obchodní či
výrobní partnery. „Přitažlivost pro francouzské dodavatele má zejména
české know-how a schopnost zvládnout technicky náročnější výrobu,“
konstatoval Macko.
FČOK je členem UCCIFE, Unie francouzských obchodních a průmyslových komor v zahraničí (www.uccife.org), která sdružuje 114 členů/komor. Ve Francii je pak FČOK podporována též dobře strukturovanou sítí
(183 obchodních komor po celé Francii), zastřešovanou Sdružením francouzských obchodních a průmyslových komor, ACFCI.
„Každý rok představujeme Českou republiku na více než dvaceti prezentacích v různých francouzských regionech a po módní vlně BRICS (Brazílie, Rusko, Indie, Čína a JAR) registrujeme návrat francouzského zájmu o střední Evropu. Důvodem je nejen blízkost geografická a kulturní,
ale především kvalita, reaktivita a technická zdatnost českých firem,“ řekl
Michal Macko. •
33
STROJE A TECHNOLÓGIE
OPTIMALIZÁCIA NOSNÍKOV NA MOTORICKOM
OHÝBACOM STROJI
V praxi sa musí konštruktér veľmi často vysporiadať s návrhom zariadenia alebo konštrukcie aby spĺňalo istú funkciu.
Takáto úloha má málokedy len jediné riešenie a preto existuje aj monosť výberu. Pri trende úspory materiálu a tým aj
hmotnosti navrhovaného zariadenia je nutné vybrať si také riešenia, aby sa financie, pracovné sily, suroviny a energie
vyuívali čo najracionálnejšie a aby sa zároveň dosiahla čo najvyššia kvalita vyrábaného produktu.
TEXT/FOTO TOMÁŠ HORVÁT, SLAVKO PAVLENKO, JOZEF HAĽKO, FAKULTA VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ TU V KOŠICIACH SO SÍDLOM V PREŠOVE
U
silujeme sa preto vybrať si optimálnu možnosť z tých, ktoré sú
dostupné v rámci ohraničenia obmedzujúcimi podmienkami
(napríklad mechanické napätie nemôže prekročiť určitú hodnotu). Optimálne riešenie úlohy pritom nemusí byť vždy také jednoznačné, lebo sledovaných parametrov može byť viac. Pri hľadaní optimálneho
riešenia sa často postupuje tak, že sa prepočíta niekoľko variantov úlohy
a ich porovnaním sa vyberie ten, ktorý má najlepšie výsledky. Tento spôsob práce síce poskytne najlepšie riešenie spomedzi zvolených ale nedáva
záruku, že vybraný variant je skutočne najvhodnejší.
Prácne prepočítavanie v skutočnosti predstavuje mrhanie časovým fondom konštruktéra a jeho tvorivý potenciál nie je využitý efektívne. Ak sa
chceme takémuto postupu vyhnúť, je potrebné siahnuť po matematických metódach, ktoré dokážu systematicky a úsporne hľadať optimálne
riešenie zvolenej úlohy. Optimalizačné metódy sú bohato zastúpené pre
riešenie problémov bez ohľadu na ich fyzikálnu podstatu, dajú sa väčšinou jednoznačne matematicky formulovať a neustále sa vyvíjajú.
POIADAVKY NA KONŠTRUKCIU STROJA
Na obr. 1 je znázornená konštrukcia nosníkov ohýbacieho stroja SLF
30/15 v spoluzábere, ktorá je prispôsobená nasledujúcim požiadavkám.
Obr. 1 Nosníky ohýbacieho stroja v pracovnej polohe
Fig. 1 Beams of folding machine in working position
Kvôli potrebe ohýbania profilov, ktoré presahujú uhol 90° sa vyžaduje
zošikmenie prednej dosky prítlačného nosníka. Samotná požiadavka na
ohýbanie uzatvoreného profilu alebo profilu tvaru Z vnáša nutnosť voľného priestoru medzi úložným nosníkom a prítlačným nosníkom. Z hľadiska funkcie stroja vyžaduje geometria profilu úložného nosníka ohýbacieho stroja, aby mal ohýbací nosník možnosť prístupu pod úložný nosník.
Inak by bol zaťažovaný excentricky a mohla by nastať kolízia hrán medzi
lištami obidvoch nosníkov.
Pre ohýbanie plechu s hrúbkou 1,5 mm a dĺžkou 3 m na ohýbacom stroji
SLF 30/15 je geometria nosníkov prispôsobená na základe požiadaviek na
možné varianty jednotlivých výtvarkov, čo však nepriaznivo ovplyvňuje
tuhosť profilov samotných nosníkov. Optimalizácia nosníkov ohýbacieho
stroja SLF 30/15 sa riadi postupnosťou znázornenou na obr. 2.
38
Obr. 2 Schéma výpočtu
Fig. 2 Calculation scheme
Rozmery geometrie nosníka vstupujú do pevnostnej analýzy, kde sú menené na základe konštrukčných obmedzení. Sleduje sa pritom vplyv viacerých nezávislých premenných na odozvu, ktorou je hmotnosť nosníkov, ich deformácia a napätie vznikajúce od zaťažujúcej sily podľa
STN 22 7340 pre plech ohýbaný na minimálny polomer ohybu v dĺžke
3 m a hrúbke 1,5 mm tvárnenom pozdĺž smeru vlákien s medzou pevnosti 400 MPa. [1][2]
Obmedzujúcou podmienkou výpočtu pomocou metódy konečných prvkov (MKP) je hodnota základnej medze únavy c = 200 MPa stanovená pre materiál S355J0H. Po zadefinovaní okrajových podmienok analýz
a výpočte dostávame výsledky priebehov napätí a celkových deformácií na jednotlivých nosníkoch. Z hľadiska optimalizačného výpočtu budú tieto výsledky slúžiť ako odozva zmeny rozmerov jednotlivých nosníkov v závislosti na zaťažujúce podmienky pre výpočet pomocou MKP
v programe ANSYS. [3]
VÝSLEDKY MKP ANALÝZ
a) Priebeh napätia redukovaného
podľa hypotézy von Misesa
b) Priebeh celkovej deformácie
Obr. 3 Výsledky MKP analýzy ohýbacieho nosníka
Fig. 3 FEA results of folding beam
ENGINEERING.SK
a) Priebeh napätia redukovaného
podľa hypotézy von Misesa
b) Priebeh celkovej deformácie
Obr. 4 Výsledky MKP analýzy úloného nosníka
Fig. 4 FEA results of lower beam
a) Priebeh napätia redukovaného
podľa hypotézy von Misesa
b) Priebeh celkovej deformácie
Na základe analýz vplyvu citlivosti faktorov na podávané výsledky prebieha optimalizačný výpočet metódou MOGA (Multi-Objective Genetic Algorithm) implementovanou do ANSYS-u. Základnou myšlienkou vývoja tejto metódy je poznatok, že optimalizačný program u živočíšnych druhov
prebieha už milióny rokov. Predstavitelia, ktorí sa lepšie prospôsobia požiadavkám prostredia, v ktorom sa nachádzajú, majú vyššiu pravdepodobnosť prežitia. Preto svoje vlastnosti odovzdávajú nasledujúcim generáciám
častejšie, čo znamená, že zdatnosť populácie s nasledujúcimi generáciami
pri nezmenených podmienkach rastie. Základná myšlienka je prevedená
na optimalizačnú metódu, v ktorej je namiesto hľadania živočíchov cieľom
hľadať optimum funkcie pri daných obmedzeniach. Jednotlivec, ktorý vykazuje lepšie výsledky vzhľadom na požiadavky kladené prostredím, ktorému je vystavený, má aj lepší smerový vektor k dosiahnutiu optima. Evolučný proces môže byť ľahko prevedený algoritmom na hľadanie lepších
smerových vektorov s podporou výpočtovej techniky, čo dáva konštruktérom ako kľúčovým osobám v otázkach rozhodovania o budúcom tvare,
rozmeroch a použitom materiáli navrhovanej konštrukcie do rúk silný nástroj na testovanie a pomoc pri výbere vhodnej alternatívy. [5]
Na obr. 7 je znázornený priebeh postupného konvergencie znižovania
hmotnosti úložného nosníka pomocou genetického optimalizačného algoritmu.
Obr. 5 Výsledky MKP analýzy prítlačného nosníka
Fig. 5 FEA results of clamping beam
Tab. 1 Výsledky MKP analýzy
Tab. 1 FEA results
Zvolené riešenie konštrukcie nosníkov poskytuje možnosť ohýbania plechu na základe zadaných požiadaviek, ale nedáva záruku, že materiál použitý na ich konštrukciu je využívaný aj efektívne. Práve na takéto úlohy
je výhodné použiť optimalizačný výpočet, ktorému sa budeme venovať
v nasledujúcej časti. [4]
PARAMETRICKÁ OPTIMALIZÁCIA NOSNÍKOV
Je zrejmé, že prítlačný nosník vykazuje oproti úložnému a ohýbaciemu
nosníku najväčšiu deformáciu. Predstavuje najslabšiu časť stroja a najviac ovplyvňuje presnosť výsledného výtvarku. Cieľom je teda jeho deformáciu znížiť, pričom u ostatných nosníkov bude cieľom ušetriť materiál
zmenou rozmerov ich geometrie. Samotnému optimalizačnému výpočtu predchádza zostavenie plánu experimentov, na základe ktorého je
skúmaný vplyv zmeny parametra v závislosti na odozve. Ide o cieľavedomé zmeny vstupných parametrov s cieľom dosiahnuť požadované zmeny zodpovedajúcich výstupných parametrov. V oblasti plánovania experimentu za účelom zlepšovania kvality je potrebné identifikovať faktory,
ktoré ovplyvňujú kvalitu a správne ich nastaviť, aby bolo možné zaviesť
optimalizačný výpočet s ohľadom na dosiahnutie vopred špecifikovaných
hodnôt na výstupe. Sledovanými hodnotami sú hmotnosti nosníkov, ich
deformácie a napätia od zaťaženia nosníkov ohýbacou silou. Obr. 6 znázorňuje citlivosť výstupných parametrov odozvy na zmeny jednotlivých
rozmerov prítlačného nosníka.
Obr. 7 Redukcia hmotnosti úloného nosníka
Fig. 7 Weight reduction of lower beam
Počiatočná vzorka 1 000 predstaviteľov rozmerových variánt vytvorí
1 000 generácií, v ktorých sa prispôsobuje požadovaným výstupom. Maximálny počet iterácií je 20. Pri jednotlivých nosníkoch boli dosiahnuté
výsledky uvedené v tab. 2. »
Tento príspevok bol spracovaný v rámci projektu VEGA č. 1/0593/12.
OPTIMIZATION OF THE BEAMS ON THE
MOTORISED FOLDING MACHINE
Sheet metal folding is topical issue with the current trend
of material savings. With increased requirements on the
stiffness properties of the folding machines designers
need new tools that are able to assist in decision making.
In this article has been shown that the evolutionary
optimization is able to give the design engineer a powerful
tool in decision making process of material decomposition
in dependence to its efficient usage. Evolutionary
optimization helps to find the optimum layout and
dimensions of a structure under certain loading conditions
and in dependence of the defined conditions can save
a significant quantity of material. On the example above,
the weight of the beams decreased by only 70,5 kg, but
deformation of clamping beam as the weakest part of the
folding machine was reduced by 39,9 %. •
Obr. 6 Citlivosť odozvy na zmenu vstupov
Fig. 6 Sensitivity of response to input changes
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 11/2013
39
STROJE A TECHNOLÓGIE
Tab. 2 Výsledky podávané optimalizovanými nosníkmi
Tab. 2 Results given by optimized beams
» ZÁVER
Ohýbanie plechu je pri súčasnom trende úspory materiálu aktuálnou témou. So zvýšenými požiadavkami na mechanické vlastnosti konštrukcie ohýbacích strojov potrebujú konštruktéri nové nástroje, ktoré sú
schopné pomáhať pri rozhodovaní. V tomto článku sa ukázalo, že evolučná optimalizácia je schopná poskytnúť konštruktérovi silný nástroj
v procese rozhodovania o rozložení materiálu vzľadom na jeho efektívne
využívanie. Evolučná optimalizácia pomáha nájsť optimálne rozloženie a rozmery konštrukcie pri určitých podmienkach zaťaženia a vzhľadom na definované podmienky dokáže ušetriť významné množtvo materiálu. Na vyššie uvedenom príklade bola hmotnosť nosníkov znížená len
o 70,5 kg, ale deformácia prítlačného nosníka ako najslabšej časti ohýbacieho stroja bola znížená o 39,9 %. •
LITERATÚRA:
1. HRIVŇÁK, A.; EVIN, E.; SPIŠÁK, E.: Technológia plošného tvárnenia. Bratislava: Alfa, 1990. 264 s., ISBN 80-05-00439-7
2. ŠUGÁR, P.; ŠUGÁROVÁ, J.: Výrobné technológie – zlievanie, zváranie, tvárnenie. Banská Bystrica: DALI-BB, 2009. 291 s.,
ISBN 978-80-89090-587
3. RUŽIČKA, M.; HANKE, M.; ROST, M.: Dynamická pevnost a životnost. Praha: Ediční středisko ČVUT, 1987. 212 s.
4. KOCHANÍK, Ján; VOJTKO, Imrich: Metóda konečných prvkov v teórii a príkladoch. 1. vyd. Prešov: FVT TU, 2007. 173 s.,
ISBN 978-80-8073-931-7
5. HARTMANN, A. K.; RIEGER, H.: Optimization Algorithms in Physics. Berlin: Wiley-VCH Verlag Berlin GmbH, 2002. 372 s.,
ISBN 3-527-40307-8
Recenzenti / Reviewers
doc. Ing. Peter Čičo, CSc., Ing. Ján Žitňanský, PhD
OPTIMÁLNĚ ULOENÉ KULIČKOVÉ ŠROUBY
Společnost Kuličkové šrouby Kuřim vychází vstříc poadavkům svých zákazníků na doplnění sortimentu kuličkových šroubů
a připravila ucelenou řadu loisek LKSN a LKSF pro optimální uloení kuličkových šroubů. TEXT/FOTO FILIP KREIF
N
ový výrobek je určen pro radiálně-axiální uložení kuličkového šroubu
a je ekvivalentní s osvědčenými ložisky ZARN a ZARF. Doplňuje aplikační možnosti
již dříve nabízených kuličkových ložisek s kosoúhlým stykem v pouzdrech. Ložiska se nabízejí
ve verzi s přírubou s otvory pro přišroubování –
LKSF a s přírubou bez otvoru – LKSN.
Oba typy ložisek pak existují i v prodloužené verzi – LKSF L, LKSN L. S novým výrobkem
připravila společnost Kuličkové šrouby Kuřim
i standardní provedení konců hřídelí s přiřazením vhodné velikosti nových radiálně-axiálních
ložisek. Aktuálně je možné využít nabídky této novinky a získat s kuličkovým šroubem vyrobeným dle specifických požadavků, kompletní
konstrukční sestavu. Detailní informace o radiálně-axiálních ložiscích i standardních ukončeních hřídelí kuličkových šroubů najdete na
www.ks-kurim.cz, kde jsou rovněž připraveny
veškeré produktové materiály ke stažení. •
Provedení konce hřídele s loiskem LKSN
40
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
KROKOVÝ MOTOR S AXIÁLNYM MAGNETICKÝM
TOKOM A DISKOVÝM ROTOROM
S PERMANENTNÝMI MAGNETMI
Diskové elektrické stroje s axiálnym magnetickým tokom, obsahujúce permanentné magnety (PM), majú niekoľko výhod
oproti strojom s radiálnym magnetickým tokom. Disková stroje s PM s axiálnym tokom môu byť navrhnuté tak, aby mali
čo najlepší pomer výkonu k hmotnosti stroja, čo sa dá dosiahnuť zmenšením hrúbky diskového rotora a ich výhodou sú aj
rovinné (planárne) a ľahko nastaviteľné vzduchové medzery. A čo viac, hluk a úrovne chvenia sú menšie ako v bených
strojoch. Kvalitnejšie PM majú i menšie rozmery, čo má za následok zmenšenie veľkosti magnetického obvodu stroja. Tieto
výhody povyšujú elektrické stroje s axiálnym tokom nad bené stroje s radiálnym tokom v rôznych aplikáciách.
TEXT/FOTO ING. JÁN KAŇUCH, PHD., DOC. ING. ELMÍRA FERKOVÁ, PHD., TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY, KATEDRA ELEKTROTECHNIKY A MECHATRONIKY
D
iskový krokový elektromotor, ako aj
valcovitý krokový elektromotor, môžeme porovnať s bezkefovým strojom. Poväčšine všetky vinutia v motore sú súčasťou statora a rotor je obojstranne drážkovaný
disk z niektorého magneticky mäkkého materiálu (v prípade reluktančného motora) alebo
z permanentných magnetov vhodného tvaru.
Diskové krokové motory s permanentnými
magnetmi sú elektromotory, ktoré sú svojou
činnosťou v podstate porovnateľné s krokovými
hybridnými motormi. Ale rotor v týchto diskových motoroch je väčšinou tenký disk, ktorý má
veľmi malý moment zotrvačnosti v porovnaní
s valcovým rotorom v bežných hybridných krokových motoroch s permanentnými magnetmi.
Merný ťah diskového rotora
Merný ťah v aktívnej vrstve diskového rotora je
v podstate dvojnásobný, a preto pre dve planparalelné vrstvy diskového rotora pre merný ťah
platí nasledujúca rovnica:
(2)
kde d – je vonkajší priemer medzikružia disku
a h – je výška medzikružia (obr. 1).
NÁVRH KROKOVÉHO MOTORA S DISKOVÝM
ROTOROM
Základom návrhu diskového krokového motora je určenie hlavných rozmerov diskového
rotora. Podstatou je teda určenie vonkajšieho
priemeru d a výšky medzikružia h rotorového
disku (obr. 1). Ďalšou dôležitou veličinou je krokovacia frekvencia motora. S týmito veličinami je úzko spätý aj uhol kroku, počet krokov za
otáčku a maximálna rýchlosť otáčania.
VÝHODY KROKOVÉHO ELEKTROMOTORA
S DISKOVÝM ROTOROM
Keď chceme použiť krokový elektromotor s diskovým rotorom, musia mám byť známe hlavné
výhody diskového rotora. Kvantitatívny rozdiel
medzi krokovým elektromotorom s valcovitým
rotorom a diskovým rotorom vyplýva zo vzájomného porovnania ich elektromagnetických
využití. Preto je nutné formulovať merný ťah
v aktívnej vrstve ako veličinu, ktorá vytvára točivý moment.
Merný ťah valcového rotora
Všeobecne v stavbe elektrických strojov je zavedená veličina , ktorá udáva priemerný merný
ťah v aktívnej vrstve valca (rotora stroja) s vonkajším priemerom d a dĺžkou l:
(1)
kde F – je sila pôsobiaca na aktívnu vrstvu valca
a M je krútiaci moment.
Z rovnice (1) vyplýva všeobecne známa skutočnosť, že rozmerovým kritériom pre elektrický
stroj s valcovým rotorom je kubatúra elektrického stroja. Táto objemová veličina a krútiaci
moment valcového rotora elektrického stroja
sú teda navzájom úmerné.
112
(5)
Krútiaci moment motora M a planárna veličina
(5) sú teda navzájom úmerné. Z rovníc (2) a (4)
je zrejmé, že elektrický stroj s diskovým rotorom môže mať malú dĺžku, ktorá je v podstate
závislá len na konštrukčných možnostiach výroby disku a na jeho mechanickej pevnosti. Dĺžka rotorového disku motora teda nie je podmienená jeho elektromagnetickými parametrami.
Určenie základných rozmerov diskového rotora
Základné rozmery krokového motora s diskovým rotorom je možné určiť z planárnej veličiny, teda z modifikovanej rovnice (4):
Obr. 1: Obojstranný diskový rotor
Sila F je však veličina pre celý disk, teda pre obidve aktívne strany dvojvrstvy disku. Pre silu F
v závislosti od momentu M diskového rotora
platí rovnica:
(3)
kde M – je krútiaci moment diskového rotora.
Po dosadení rovnice (3) do rovnice (2) a jednoduchej úprave dostaneme pre merný ťah diskového rotora rovnicu:
(6)
Na základe predpokladanej výšky medzikružia
disku h, potrebného krútiaceho momentu motora M a priemernej hodnoty merného ťahu ,
z modifikovanej rovnice (6) sa vypočíta vonkajší
priemer diskového rotora d:
(7)
(4)
Z rovnice (4) vyplýva záver, že rozmerovým kritériom pri návrhu diskového motora je planárna (teda plošná) veličina:
Počet krokov a krokovacia frekvencia
Krokové elektromotory s diskovým rotor sú
bežne navrhované s rovnakým počtom pólov 2p
ako je ich počet fáz m. Z tohto dôvodu je pre
ENGINEERING.SK
STROJE A TECHNOLÓGIE
krokový elektromotor s diskovým rotorom výhodné používať ako charakteristickú veličinu
počet fáz, a nie počet pólov.
Počet krokov na otáčku K diskového rotora je:
(8)
kde Q2 je počet drážok na rotore (zubov).
Krokovacia frekvencia fs, ktorá je ďalšou sledovanou veličinou, je úmerná elektrickej frekvencii fe na výstupe napájacej jednotky krokového
motora. Pre jeden mechanický krok je potrebný
jeden elektrický impulz jednej fázy, takže v dôsledku toho po 2m krokoch sa opakuje elektrický impulz v tej istej fáze. Medzi mechanickou, teda krokovacou frekvenciou a elektrickou
frekvenciou platí rovnica:
(9)
Elektrická frekvencia fe podľa rovnice (9) je teda
relatívne nízka (čím vyšší je počet fáz motora)
v porovnaní s mechanickou krokovacou frekvenciou fs. Ak by sme teda vybrali pomerne vysokú mechanickú krokovaciu frekvenciu, napr.
fs = 15 000 Hz, pre štvorfázový krokový elektromotor, teda pre 2m = 8, je elektrická frekvencia
fe = 1 875 Hz, čo je hodnota prijateľná pre stavbu
napájacej jednotky krokového motora.
Ak by sme teda porovnali motory s rovnakým
výkonom, pre štandardne vyrábané krokové motory s valcovým rotorom je mechanická
krokovacia frekvencia napr. fs = 5 000 Hz a k tomu prislúchajúca elektrická frekvencia je fe =
1 250 Hz.
Z uvedeného porovnania je zrejmé, že krokový elektromotor s valcovým rotorom má asi
tretinovú mechanickú krokovaciu frekvenciu a elektrická frekvencia diskového krokového elektromotora je približne o 50 % vyššia ako
v prípade krokového motora s valcovým rotorom.
Otáčky krokového motora s diskovým rotorom
Rýchlosť otáčania krokového elektromotora
s valcovým aj diskovým rotorom sa vypočítajú
zo všeobecne známej rovnice:
Z tohto je zrejmé, že diskový krokový elektromotor má viac než dvojnásobnú rýchlosť ako
krokový elektromotor s valcovým rotorom.
NÁVRH ELEKTROMAGNETICKÉHO OBVODU DISKOVÉHO
KROKOVÉHO MOTORA S PERMANENTÝMI MAGNETMI
Základné rozmery elektromagnetického obvodu diskového krokového motora boli navrhnuté pomocou rovníc, ktoré sú uvedené v predchádzajúcich kapitolách.
Hlavné parametre navrhovaného stroja sú uvedené v tabuľke 1.
Tab. 1 Hlavné parametre diskového krokového motora
Parameter
Nominálne napätie
Nominálny prúd
Nominálny moment
Počet fáz motora
Počet krokov na otáčku
Uhol kroku
Počet magnetov na rotore
Počet drážkovaných statorových pólov na fázu
Celkový počet statorových pólov
Počet zubov na statorovom póle
Počet závitov jednej fázy (4 cievky v sérii)
Hodnota
64 V
5A
4 Nm
4
200
1,8 º
50
4
16
3
196
V diskovom motore s axiálnym magnetickým
tokom s dvoma protiľahlými súmernými statormi a rotorom z permanentných magnetov
môže byť rotor stroja vyrobený úplne bez železného jadra, čo zjednodušuje výrobu rotora. Samozrejme, nedostatkom tohto riešenia
je potreba dvoch statorov. Takéto konštrukčné
usporiadanie s jedným rotorom a dvomi statormi sú teda permanentné magnety umiestnené
v disku rotora (obr. 2).
(10)
kde K je počet krokov na otáčku.
Pre krokový elektromotor s diskovým rotor je
však vhodné vyjadriť rýchlosť otáčania z modifikovanej rovnice (10) s použitím rovníc (8) a (9)
rovnicou:
Krokový elektromotor s diskovým rotorom pre
K = 200 krokov na otáčku a mechanickej krokovacej frekvencii fs = 15 000 Hz má otáčky vypočítané z rovnice (10) n = 4 500 ot./min.
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 11/2013
Parameter
Vonkajší priemer statora a rotorového disku
Vnútorný priemer statora a rotorového disku
Šírka jarma statora
Celková dĺžka pólu statora
Výška telesa pólu
Šírka telesa pólu
Dĺžka telesa pólu
Dĺžka pólového nadstavca
Dĺžka vzduchovej medzery
(na oboch stranách rotor)
Hrúbka permanentných magnetov
(rotorového disku)
Uhol magnetu rotora
Hodnota
140 mm
63 mm
10 mm
21 mm
16 mm
16 mm
18,5 mm
5 mm
0,3 mm
3 mm
3,6 º
Na obr. 3 je schematicky zobrazený rozvinutý rez
magnetického obvodu krokového motora s diskovým rotorom s permanentnými magnetmi cez
stredný priemer elektromagnetického obvodu.
Obr. 3 Rozvinutý rez magnetického obvodu krokového
motora s diskovým rotorom s PM
SIMULÁCIA ELEKTROMAGNETICKÉHO
POĽA DISKOVÉHO KROKOVÉHO MOTORA
S PERMANENTÝMI MAGNETMI
V tejto časti sú uvedené výsledky simulácie krokového motora s axiálnym magnetickým tokom. Motor má vnútorný diskový rotor s permanentnými magnetmi bez drážok a dva
vonkajšie súmerné statory s drážkovanými pólovými nadstavcami. »
STEPPER MOTOR WITH
AXIAL FLUX AND DISC
ROTOR WITH PERMANENT
MAGNETS
[ot./min.]
(11)
Tab. 2 Rozmery elektromagnetický obvodu diskového
krokového motora
Obr. 2 Usporiadanie elektromagnetického obvodu
diskového krokového motora s PM
Základné rozmery navrhovaného elektromagnetického obvodu diskového krokového motora s permanentnými magnetmi sú uvedené v tabuľke 2.
This paper presents the design and
the electromagnetic field simulation
of axial-flux permanent-magnet stepper motor with the disc type rotor. The
stepper motor with disc type permanent magnet rotor shows the advantages of higher torque at high speed,
low moment of inertia, high torque to
weight ratio, low power consumption
and ironless rotor having minimum
iron loss using permanent magnets in
laminate disk.
This paper describes a design of four
phase microstepping motor with the
disc type rotor. The FEM modeling
and the 3D electromagnetic field simulation of the disk stepper motor with
permanent magnets is being subject of
the article, too. •
113
X
E TRA
» Rotor stroja je zložený z axiálne magnetovaných plochých magnetov. Model elektromagnetického obvodu tohto krokového motora
s diskovým rotorom z permanentných magnetov je vytvorený v programe ProEngineer a je
zobrazený na obr. 4.
Obr. 6: Elektromagnetické pole diskového krokového
motora s rotorom z PM (bez budenia)
Obr. 5: Sieť pouitá pri simulácii
Výsledky simulácie elektromagnetického poľa
diskového krokového motora s axiálnym magnetickým tokom s permanentnými magnetmi
sú zobrazené na obr. 6 a 7.
Obr. 4 Model elektromagnetického krokového motora
s diskovým rotorom s PM
ZÁVER
Simulácia elektromagnetického poľa je urobená v simulačnom programe Cosmos/EMS.
Ako okrajové podmienky je používaný tangenciálny tok. Všetky časti modelu elektromagnetického obvodu počas simulácie sú obklopené
vzduchom (v skutočnosti je elektromagnetický obvod motora umiestnený v kostre motora).
Na obr. 5 je zobrazená sieť, ktorá bola použitá
pri simulácii.
V tomto príspevku je analytickou metódou
navrhnutý diskový krokový motor s rotorom
z permanentných magnetov (PM). Podľa elektrických parametrov a rozmerov uvedených
v kapitole 3 bol v programe ProEngineer vytvorený 3D model elektro-magnetického obvodu
navrhnutého krokového motora s diskovým rotorom z PM. Sú tu porovnané výsledky z návrhu
a simulácie tohto motora v simulačnom programe Cosmos/EMS.
Obr. 7: Elektromagnetické pole diskového krokového
motora s rotorom z PM v nabudenom stave
Výpočet momentu motora klasickou metódou
bol kontrolovaný výpočtom metódou konečných prvkov na základe 3D modelu motora.
Vypočítaný statický moment metódou konečných prvkov v polohe pred vykonaním kroku
je 4,08 Nm a rozdiel je len 0,08 Nm (teda 2 %),
čo v podstate potvrdilo správnosť analytického výpočtu. •
POĎAKOVANIE:
Podporujeme výskumné aktivity na Slovensku – Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ. Tento článok bol vypracovaný v rámci projektu „Centrum excelentnosti integrovaného výskumu a využitia progresívnych materiálov a technológií v oblasti automobilovej elektroniky“, ITMS 26220120055. (100 %)
LITERATÚRA:
[1] Materiály firmy Portescap. Dostupné na internete: <http:// www.portescap.com >
[2] Aydin, M.; Huang, S.; Lipo, T. A: Axial flux permanent magnet disc machines: A review, University of Wisconsin – Madison, 2004
[3] Gieras, J. F.; Wang, R. J.; Kamper, M. J.: Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines, Kluwer Academic Publisher, 2008
[4] Hrabovcová V.; Janoušek, L.; Rafajdus, P.; Ličko, M.: Moderné elektrické stroje; University of Žilina press, 2001, Slovakia. (in Slovak)
[5] Kaňuch, J.: Krokový motor s diskovým rotorom s axiálnym magnetickým tokom s krokom  < 1°. Technical University of Kosice TUKE 2003
[6] Parviainen, A.: Design of axial-flux permanent magnet low-speed machines and performance comparison between radial-flux and axial-flux
machines. Lappeenrannan teknillinen yliopisto Digipaino 2005.
AVÍZUJEME
ZVÁRANIE 2013
FOTOSÚŤA ZVAR 2013
Slovenská zváračská spoločnosť vás srdečne
pozýva na XLI. medzinárodnú konferenciu
Zváranie 2013. Medzi hlavné témy podujatia
bude patriť problematika zvariteľnosti
kovových materiálov, priemyselné aplikácie
zvárania, progresívne metódy zvárania
a rezania alebo nedeštruktívna kontrola
skúšanie vo zváraní.
Viac informácií na www.szswelding.eu.
Prvý ročník fotosúťae s tematikou zvárania pod názvom ZVAR 2013
organizuje Slovenská zváračská spoločnosť, mesačník Strojárstvo/
Strojírenství je jej mediálnym partnerom.
Súťa amatérskych fotografov je zameraná na tri tematické okruhy –
Krásy zvárania (zvarové spoje, zvárané diela, detaily a pod.), Človek
a zvar a poslednou témou je Čo nás pri zváraní trápi. Súťané fotografie
môete zasielať priebene na adresu Slovenskej zváračskej spoločnosti,
Koceľova 15, 815 94 Bratislava a to do 15. decembra 2013.
Vyhodnotenie súťae sa uskutoční do 23. decembra 2013.
114
TRENDY V PLASTIKÁRSKOM
PRIEMYSLE
Slovenský plastikársky klaster pozýva na tretí seminár z cyklu
seminárov Trendy v plastikárskom priemysle. Podujatie sa
uskutoční 28. novembra v Hoteli Liptovský Dvor v Jánskej
doline. Seminár bude venovaný napríklad problematike
biodegradovateľných polymérov, bioplastom či chybám pri
vstrekovaní a ich odstraňovaniu.
(-mm-)
ENGINEERING.SK
STROJE A TECHNOLÓGIE
PREDIKCIA IVOTNOSTI
KONŠTRUKCIÍ
PROSTRIEDKAMI ESA
A CAE
Najzávanejším faktorom posudzovania spôsobilosti nosných oceľových konštrukcií po dlhodobej prevádzke je predikcia
ich zvyškovej ivotnosti. Tento problém sa týka konštrukcií namáhaných premenlivým zaťaením, ktoré môe spôsobiť
kumuláciu únavového poškodenia v kritických miestach, rast a šírenie trhlín a po únavový lom. Dôleitú úlohu tu zohrávajú
efektívne tvarové napätia, ako lokálne napätia, ktoré uvaujú zmenu tvaru konštrukčného detailu bez vplyvu zvarov
a defektov. TEXT/FOTO ING. INGRID DELYOVÁ, PHD., ING. PETER SIVÁK, PHD.; KATEDRA APLIKOVANEJ MECHANIKY A MECHATRONIKY, STROJNÍCKA FAKULTA, TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH
E
fektívne tvarové napätie závisí od rozmerov konštrukčného
prvku alebo zvarového spoja a od spôsobu jeho namáhania. Pre
hodnotenie životnosti je nutné stanoviť tvarové napätie pre
kritické miesto konštrukčnej časti alebo spoja, kde je najpravdepodobnejší vznik trhliny. Najbežnejšie sa zisťuje použitím metód ESA, z nich hlavne tenzometrickým meraním. Môže sa merať priamo v kritickom mieste,
alebo nepriamo – meraním v určitej vzdialenosti od kritického miesta
kvôli tvarovým a rozmerovým dôvodom (malým polomerom zaoblenia),
zlému prístupu ku kritickému miestu alebo zvaru v kritickom mieste.
V osobitných prípadoch sa tvarové napätia môžu určiť numerickým výpočtom FEM alebo analyticky, pomocou nominálnych napätí a príslušných súčiniteľov koncentrácie napätí.
POSTUPY PREDIKCIE IVOTNOSTI KONŠTRUKČNÝCH PRVKOV
V poslednom období zostavované výpočtové systémy obsahujúce programy spracovania experimentálnych dát i analogické modely umožňujúce
doplniť chýbajúce informácie, zahŕňajú rôzne metódy kumulácie poškodenia a umožňujú vzájomné kombinácie vstupu a porovnania výsledkov.
Takto je potom možné optimalizovať voľbu postupu výpočtu, zvyšujúceho spoľahlivosť odhadu únavového života konštrukčného systému.
Pre určenie zostatkovej životnosti je možné podľa charakteru a spôsobu spracovania vstupných dát (hlavne informácií o zaťažení a únavových
vlastnostiach) príslušný postup rozdeliť v zmysle schémy na obr. 1.
Posudzovanie konštrukčného prvku, resp. konštrukcie, v oblasti obmedzeného života je možné viacerými spôsobmi. Jedným z možných postupov je postup podľa nominálnej napätosti, resp. podľa napätosti v koreni
vrubu, prípadne podľa toho, či proces je úzkopásmový, alebo širokopásmový (histogram, spektrálna výkonová hustota).
Proces poškodenia materiálu prechádza do vzniku lomu niekoľkými štádiami a jeho priebeh je ovplyvňovaný celým radom faktorov. V závislosti od počtu cyklov namáhania a veľkosti amplitúdy je sem možné zaradiť
hlavne predpätie, časový sled cyklov rôznej veľkosti a intervalov, frekvenciu a rýchlosti zmien deformácií, teplotu, štruktúru materiálu, tvar konštrukčného prvku, atď. Pozornosť je preto možné zamerať len na vyjadrenie vplyvu niekoľkých najdôležitejších faktorov [6].
Pri výpočte životnosti, resp. kumulácii únavového poškodenia nosných
konštrukcií a ich jednotlivých prvkov, je nevyhnutné poznať aj krivky životnosti alebo aspoň ich základné parametre, reprezentujúce zákonitosti »
Obr. 1 Schéma postupu predikcie ivotnosti konštrukčného prvku
Nevyhnutnými vstupmi pre analýzu a predikciu únavovej životnosti sú
v každom prípade informácie o geometrii, zaťažení a materiálových vlastnostiach konštrukčného prvku alebo celej konštrukcie. Pevnostné a únavové vlastnosti (Wöhlerova alebo Manson-Coffinova krivka) materiálu sa
najčastejšie určia z príslušnej databázy alebo experimentálne. Informácie
o namáhaní je možné získať prostriedkami ESA (najčastejšie tenzometrickým meraním), analytickým rozborom, odhadom alebo použitím MSS.
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 11/2013
a)
115
X
E TRA
Statické hodnoty napätí sú v prípade nutnosti pri analýzach životnosti
započítavané ako zvyškové napätia. Tieto sa zisťujú opäť metódami ESA –
konkrétne tenzometrickou metódou odvrtávania, buď systémom RS 200
alebo SINT-MTS 3000, vždy v zmysle metodiky podľa normy ASTM
E837-01 [1]. V niektorých prípadoch spracovania náhodných procesov sú
statické hodnoty napätí, vzhľadom na charakter spracovania, väčšinou
dôležité len pre posúdenie pevnosti a stability nosných prvkov. Ich vplyv
na životnosť nosnej konštrukcie sa potom vyhodnotí ako nepodstatný.
Pre konečné stanovenie zvyškovej životnosti sú použité teórie kumulácie
únavového poškodenia podľa Palmgrena-Minera, Cortena-Dolana a Haibacha.
POSÚDENIE LIACEHO STOJANA KVÔLI MONOSTI ZVÝŠENIA ZAŤAENIA
b)
Obr. 2 Wöhlerova krivka; a) všeobecný tvar krivky, b) modifikované tvary krivky
» zložitého procesu únavy pri mechanickom cyklickom namáhaní. Najčastejšie používanou krivkou je únavová krivka, získaná únavovými
skúškami so stálou amplitúdou napätia, známa ako Wöhlerova krivka (obr. 2). Ide tu o vyjadrenie závislosti harmonickej amplitúdy napätia (niekedy horného napätia) pri riadenej sile, od počtu cyklov do lomu.
PRÍKLADY UPLATNENIA POSTUPOV PREDIKCIE ÚNAVOVEJ IVOTNOSTI
Častým dôvodom uplatnenia výsledkov výpočtu kumulácie únavového
poškodenia je odhalenie príčin vzniku prevádzkovej poruchy, potreba
úpravy hlavného charakteristického parametra zariadenia, napr. nosnosti a nakoniec predikcia zvyškovej životnosti, determinujúca ďalšiu exploatáciu príslušného zariadenia alebo konštrukcie.
Vo všeobecnosti je možné konštatovať, že analýze životnosti je nutné
podrobiť tie tzv. kritické prvky, konštrukčné uzly a kritické miesta v nich,
pre ktoré sa vyjadrí stupeň kumulácie únavového poškodenia, u ktorých
je možné očakávať, že budú rozhodovať o životnosti celej konštrukcie.
Osobitne to platí pre tie konštrukčné prvky, v ktorých prípadné zlyhanie
môže determinovať zlyhanie konštrukcie ako celku a v ktorých je nutné
vylúčiť únavové zlyhanie, ohrozujúce bezpečnosť, alebo ktoré môže mať
katastrofálny následok. Uvedené rozhodnutia sú vykonané v prípravnej
fáze merania. Skúmané miesta a prvky sú vyberané aj v súčinnosti s analytickým alebo numerickým rozborom (FEM), prípadne meranie sa vykoná v miestach, resp. v blízkosti miest, kde sú identifikované prevádzkové
poruchy alebo v blízkosti miest s vrubovým prípadom. V odôvodnených
prípadoch sa vykoná aj predbežné tenzometrické meranie.
Časová závislosť skutočného náhodného procesu namáhania, teda deformačná a napäťová odozva konštrukcie, je na povrchu vybraných miest
určená tenzometrickými meraniami pomocou elektrických odporových
tenzometrov. Na zber, ukladanie, triedenie, spracovanie a vyhodnocovanie získaných dát meraných veličín je možné použiť interaktívny softwérový produkt INMES. Ten prostredníctvom svojho zásuvného modulu
umožňuje získaný časový priebeh spracovať do charakteristickej funkcie
– napäťového kolektívu (spektra), reprezentujúceho početnosti príslušných nameraných amplitúd, alebo rozkmitov napätí. Táto schematizácia
sa pritom vykoná metódou stekajúceho dažďa (Rain-flow), tzn. jednou
z triediacich metód, založených na početnosti charakteristických parametrov. V prípade použitia programového produktu Catman pre meranie, zber a ukladanie nameraných údajov, je pre ich následné spracovanie
použitý programový produkt Microsoft Excel.
Príslušné Wöhlerove krivky (spravidla pre materiály triedy 37 a 52) nie
sú vytvorené, ale prebrané v závislosti na vyšetrovaných prvkoch a ich
vzájomných spojeniach (skrutkových, nitových a zvarových). V použitých príkladoch pritom dominujú zvarové spoje a pre stanovenie (priradenie) ich Wöhlerových kriviek sú využívané normové Wöhlerove krivky. Uvedené krivky sú pri vyhodnocovaní náhodného procesu namáhania
zohľadnené pomocou svojich charakteristických znakov, t.j. medze únavy, počtu cyklov na medzi únavy a sklonu Wöhlerovej krivky.
116
Liace stojany predstavujú masívne konštrukčné zariadenia určené na manipuláciu s tekutým roztaveným kovom pri realizácii jednotlivých technologických procesov pri odlievaní kovov. Typicky sa vyznačujú vysokou nosnosťou na úrovni 250 000 kg a sú nasadzované predovšetkým
v ťažkých hutníckych prevádzkach. Vzhľadom na charakter namáhania
je u nich možné predpokladať vznik prevádzkovej poruchy zapríčinenej
únavovým poškodením.
V tab. 1 sú uvedené výsledky kumulácie únavového poškodenia vo vybraných prvkoch liaceho stojana pre zaťaženie hmotnosťou panvy s tekutým
kovom 28.104 kg. Tieto výsledky boli získané na základe uplatnenia metód ESA a CAE. Kumulácie poškodenia boli počítané pre jeden pracovný cyklus a s použitím teórií Palmgren-Miner (P-M), Corten-Dolan (C-D)
a Haibach (Ha), pričom uvedené sú len najnepriaznivejšie výsledky určené z troch teórií kumulácie únavového poškodenia. Na základe uvedenej experimentálnej analýzy bolo možné vysloviť závery, že nosné prvky liaceho stojana pri zaťažení panvou s tekutým kovom s hmotnosťou
28.104 kg z hľadiska kumulácie únavového poškodenia, teda i zostatkovej
životnosti so zreteľom na dynamické účinky, vyhovujú a rezerva zostatkovej životnosti je postačujúca.
Tab. 1: Výsledky analýzy kumulácie únavového poškodenia na otočnom liacom stojane
Nosný
prvok
Použitá teória Kumulácia
(stupeň)
únavového
poškodenia
Traverza
P-M, C-D, Ha
Rameno
Podpera
Ha
P-M, C-D, Ha
Životnosť Odpracovaná Zostatková
[pracovné
doba
životnosť
cykly]
[pracovné [pracovné
cykly]
cykly]
1,1 . 10-6
909 091
82 729
826 362
-6
1 650 165
82 729
1 567436
-6
526 315
82 729
443 586
0,6 . 10
1,9 . 10
PREDICTION OF THE CONSTRUCTION
DURABILITY BY ESA AND CAE DEVICES
The fatigue damage to the structural components, structural
knots and even whole structures subjected to random loading
can initiate the accumulation of fatigue damage in critical
points of the structure, growth and spreading of fatigue
cracks and, eventually, fatigue fracture. This paper offers
a few examples of how the process of fatigue life prediction
can practically be applied. Nowadays, for the purposes of
fatigue life evaluation CAE (Computer Aided Experiment)
systems enable the combination and the interaction of various
methods altogether: ESA (Experimental Stress Analysis),
FEM (Finite Element Method) and MSS (Mechanisms System
Simulation). •
ENGINEERING.SK
STROJE A TECHNOLÓGIE
PREDIKCIA ZVYŠKOVEJ IVOTNOSTI KOMPRESOROVEJ STANICE
Potrubné systémy a kompresorové stanice sú súčasťou technologických
zariadení pre transport a distribúciu plynu. Typicky sú zaťažené pulzáciou tlaku, chvením a inými nestacionárnymi javmi. K časovo premenlivému namáhaniu dochádza aj z ďalších dôvodov, akými sú napr. odstavenie, resp. uvedenie systému do prevádzky, zmeny tlaku z prevádzkových
príčin a pod. Tým sa pri dlhodobom účinku môžu spolupodieľať na vyčerpaní životnosti a vzniku medzného stavu únavy. Príslušné výsledky boli získané a spracované, podobne ako v predošlom prípade, uplatnením metód ESA a CAE. Na základe nameraných hodnôt pomerných
deformácií boli určené priebehy integrovaných vnútorných silových veličín v kritických myslených rezoch. Zo získaných hodnôt napätí sa určili redukované napätia, ktoré predstavovali rozkmit napätia v zmysle
normového výpočtového predpisu podľa v čase realizácie analýzy platnej normy STN 73 1401. Pre zvary potrubia sa postupovalo podľa prílohy K uvedeného predpisu, s uvažovaným číslom detailu ČD = 302 a kategóriou detailu KD = 125 pre parameter únavovej krivky m = 3. V zmysle
uvedenej prílohy bol týmto klasifikovaný tupý spoj zvarový z dvoch
strán, zhotovený zváraním. Pre uvedenú kategóriu detailu rozkmity napätí boli:
Pri posúdení na únavu podľa spomínanej normy pre namáhanie
konštrukčného detailu s konštantným rozkmitom napätia platilo:
a pre
.
Tým bola splnená nerovnosť
. Vzhľadom na to
by podľa normového predpisu v potrubiach nemal nastať medzný stav
únavy. V rámci posúdenia zostatkovej životnosti kompresorovej stanice
na základe analýzy relatívne obmedzeného rozsahu meraní bolo možné
konštatovať, že po úprave uloženia potrubia, t.j. po uplatnení vibroizolačných prvkov nebolo nutné pristúpiť ku ďalšej kontrole na únavu, pretože
rozkmity napätí nedosahovali hodnotu prípustných rozkmitov v zmysle
platnej normy [2], [6].
ZÁVER
Pre získanie náhodných procesov namáhania, charakterizovaného
napr. priebehom napätí, boli použité metódy, technické a programové prostriedky ESA a CAE. Vo väčšine prípadov išlo o spôsob spracovania náhodného procesu namáhania ako diskrétnej náhodnej veličiny a spracovanie náhodného procesu namáhania normatívnym
spôsobom, prednostne v súčinnosti s normovými výpočtovými predpismi. V mnohých prípadoch bola z hľadiska kumulácie únavového
poškodenia dokázaná spôsobilosť prvkov a celých konštrukcií po dlhodobej prevádzke pre ďalšiu exploatáciu bez väčších zásahov. V niektorých prípadoch nebola ich spôsobilosť potvrdená a konštrukcie boli následne navrhnuté na vyradenie z prevádzky bez pokusu
o opravné či rekonštrukčné práce. V ďalších prípadoch boli pre dočasné alebo núdzové využitie konštrukcií navrhnuté a uskutočnené
ich opravy a úpravy, ktoré sa vyznačujú svojou originálnosťou a špecifickosťou. V určitých prípadoch v súčinnosti s normovým výpočtovým predpisom, vzhľadom na nízke hladiny rozkmitov napätí nebola
preukázaná nutnosť ďalšieho posudzovania na únavu a konštrukcie
sa tak za splnenia určitých podmienok javili ako konštrukcie s „neobmedzenou“ životnosťou, teda u ktorých sa nepredpokladal vznik
medzného stavu únavy. •
POĎAKOVANIE
Tento článok bol vytvorený v rámci projektov VEGA 1/0937/12, VEGA 1/0289/11, APPV-0091-11.
LITERATÚRA:
[1] TREBUŇA, F.; ŠARGA, P., 2011. Using of Program MEZVYNA for Measurement of Residual Stresses to Solving Practical Problems, Acta
Mechanica Slovaca, 15, No. 2, p. 14. ISSN 1335-2393.
[2] TREBUŇA, F.; BOCKO, J.; DELYOVÁ, I.; SIVÁK, P., 2011. Application of computational methods and methods of experimental stress analysis
for determination of lifespan of pipe yards, Acta Mechanica Slovaca, 15, No. 4. ISSN 1335-2393.
[3] ŠIMČÁK, F.; BERINŠTET, V.; ŠTAMBORSKÁ, M.; 2010. Some Possibilities of Determination of Yield Conditions for Cold Rolled Streel Sheets,
Acta Mechanica Slovaca, 14, No. 4, p. 28. ISSN 1335-2393.
[4] OSTERTAG, O.; SIVÁK, P.; 2010. Degradačné procesy a predikcia životnosti. 1. vydanie. TU SjF Košice, Slovakia. p. 225. ISBN 978-80-553-0486-1.
[5] TREBUŇA, F.; BURŠÁK, M.; 2002. Medzné stavy, lomy. 1. vydanie. ManaCon Prešov. p. 348. ISBN 80-7165-362-4.
[6] DELYOVÁ, I.; 2005. Application of the experimental stress analysis in the assessment of residual lifetime for carrging elements and structures,
Dissertation thesis, Košice.
ww
www.engineering.sk
ww.e
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 11/2013
117
X
E TRA
ALGEBRAICKÝ PŘÍSTUP K ŘÍZENÍ SYSTÉMŮ
SE ZPODĚNÍM
Analýza a řízení systémů se zpoděními patří ji dlouhou dobu k zajímavým, atraktivním a důleitým oblastem moderní
teorie automatického řízení. Objevují se stále nové přístupy a metody řízení. Tento příspěvek se pokusí o pohled do filosofie
algebraického přístupu, který je zaloen na teorii okruhu a řešení lineárních rovnic v mnoině speciálních racionálních
funkcí, nebo tzv. kvazipolynomů. Pro srovnání je uveden i návrh regulátoru s vyuitím klasických polynomů.
TEXT/FOTO ROMAN PROKOP, LIBOR PEKAŘ, FAKULTA APLIKOVANÉ INFORMATIKY, UNIVERZITA TOMÁŠE BATI VE ZLÍNĚ
Z
poždění je v mnoha technologických procesech a systémech
neodstranitelný jev, způsobený např. přenosem tepla a hmoty
nebo dálkovým ovládáním objektů, a který se podstatně uplatňuje v dynamice celé řady procesů. Klasicky byl pojem dopravního zpoždění chápán jako zpoždění výstupní veličiny vůči vstupní veličině, tedy
zpoždění se vyskytuje pouze v pravé části diferenciální nebo diferenční
rovnice. Zpoždění se však může uplatňovat i v levé části rovnice, ve vnitřních zpětných vazbách. V tomto případě se hovoří o obecnější množině
tzv. systémů se zpožděním. Tento příspěvek se zabývá pouze tradičními
systémy s dopravním zpožděním, nicméně i v nich lze využít přístup vytvořený pro obecnější množinu systémů se zpožděním podle [1 – 2].
Obecně je známo, že zpoždění způsobují při řízení ve zpětné vazbě jenom
problémy.
V důsledku frekvenčních vlastností a Nyquistova kritéria „tlačí“ dopravní zpoždění frekvenční charakteristiku ke kritickému bodu (-1, 0) a tím ke
zhoršení kvality regulace a nestabilitě. Existuje několik způsobů, jak řešit řízení systémů s dopravním zpoždění. V posledním období dominují tři hlavní skupiny:
Přístupy založené na Smithově prediktoru, resp. jeho modifikaci. Tyto metodiky obsahují ve zpětnovazební regulační části i model řízeného objektu, náleží tedy do skupiny IMC (internal model controllers), např. [3 – 5].
Metody vycházející z prediktivního principu a hledající vhodný matematický model pro prediktor, např. [7].
Moderní metody založené na algebraických metodách. Tímto přístupem
se článek zabývá, i když lze ukázat souvislost s předchozí skupinou, např. [1, 6].
argumentu u vstupní veličiny, tedy odpovídající přenos systému má v Laplaceově transformaci tvar
(1)
a A(s), B(s) jsou polynomy.
Tradičním způsobem, jak ve zpětné vazbě eliminovat dopravní zpoždění,
je Smithův prediktor podle obr. 1. Toto sofistikované zapojení v minulosti
vyvolalo bouřlivé diskuse mezi přívrženci i nadšenci. Je zřetelné, že regulátor R(s) „hledí“ na řízený objekt jako na G(s), tedy bez zpožďujícího členu. Ale i nedostatků tohoto zapojení je několik. Předně použití samotné
struktury Smithova prediktoru nedává návod, jak zvolit zpětnovazební
regulátor R(s). Dále je známo, že obvod funguje při splnění
,
při řízení nestabilního procesu způsobí porucha nekonečný růst výstupní veličiny a v případě astatické (integrační) řízené soustavy pak zanechává trvalou regulační odchylku. Obě tyto nemilé vlastnosti lze při algebraickém návrhu eliminovat.
Obr. 1: Smithův prediktor – kompenzace dopravního zpodění
SYSTÉMY SE ZPODĚNÍM
Jednorozměrný systém s dopravním zpožděním popsaný lineárním modelem lze vyjádřit lineární diferenciální rovnicí s posunutím časového
118
Alternativním a starším způsobem je algebraický návrh pomocí diofantické rovnice v okruhu polynomů nebo racionálních funkcí RPS. V obou »
ENGINEERING.SK
INFORMAČNÉ TECHNOLÓGIE
» případech je nejprve nutné aproximovat exponenciální funkci v (1) polynomiální nebo racionální lomenou funkcí. Nejčastější použitím je Padého aproximace prvního řádu.
provede v několika krocích. Stabilizující regulátory se získají jako všechna řešení diofantické rovnice (neboli Bèzoutovy identity)
(5)
(2)
kde P0(s) a Q0(s) je partikulární řešení. Všechny stabilizující regulátory
jsou pak generovány přenosem
NÁVRH REGULÁTORU ALGEBRAICKÝMI METODAMI
Moderní algebraické metody pracují s množinami typu okruh, kde lze sečítat a násobit (s příslušnými axiomy), ale kde nelze obecně dělit (tedy k libovolnému prvku neexistuje jeho inverze v téže množině). Z historie je
klasickým okruhem množina celých čísel. Okruhů je přirozeně celá řada, pro tento příspěvek je důležitý okruh polynomů RP, okruh stabilních
a ryzích racionálních funkcí RPS a okruh stabilních a ryzích meromorfních funkcí RMS. Přenos systému lze vyjádřit jako podíl prvků některého
z okruhů. Vztah mezi RP a RPS je velmi jednoduchý (viz např.[6]) a lze je pro
systémy bez dopravního zpoždění s pomocí reálného parametru m0 > 0
vyjádřit vztahem
(3)
Ryzost racionální funkce znamená, že stupeň čitatele je menší nebo rovný stupni jmenovatele. Kladnost parametru m0 zaručuje stabilitu čitatele
i jmenovatele v okruhu RPS. Ve smyslu (3) lze systémy s dopravním zpožděním (1) vyjádřit jedině pomocí polynomiální aproximace členu e-s. To
lze provést například Padé aproximací (2). Aproximace však přináší do
výsledných přenosů nestabilní nuly a zvyšuje řád výsledného regulátoru.
Jiný algebraický přístup přináší použití okruhu RMS ryzích a stabilních
RQ-meromorfních funkcí, např. [1, 2, 8,11]. Zde je zpožďující člen e-s ponechán beze změny, tedy neaproximovaný. Okruh RMS ryzích a stabilních
RQ-meromorfních funkcí představuje racionálně lomené funkce kvazipolynomů. O kvazipolynomu se hovoří, jestliže jeho členy obsahují navíc členy e-s, např. A(s) = s2 + a1 se-s + a0e-s. Příkladem popisu v RMS systému s dopravním zpožděním (1) pro bj = 0, j > 0 je vyjádření ve tvaru (Ɵ  0)
(6)
a vhodnou volbou parametru T(s) z příslušného okruhu lze zajistit další
požadavky na kvalitu řízení. Pro zajištění asymptotického sledování w(t)
se hledá takové T(s), aby výsledný regulátor vykazoval integrační chování
(za předpokladu po částech konstantní žádané veličiny), tj.
(7)
Tento požadavek plyne z podmínek dělitelnosti a tato podmínka může
mít v různých okruzích různou interpretaci. Pro polynomy je to podmínka na kořeny P(s), pro okruh ryzích a stabilních funkcí RPS je to podmínka
pro kořeny čitatele P(s), v obou případech vede na integrační chování. Pro
okruh RMS se nabízí položit absolutní člen čitatele P(s) roven
(8)
kde  je reálná konstanta, obvykle  = (m0)n. Vhodné je T(s) volit ve formě
součinu lomené funkce v RMS a neznámého konstantního reálného parametru k, podrobněji v [1, 8]. Volbou stabilního (kvazi)polynomu m(s), určeného ladícím parametrem m0, lze pak vhodně nalézt regulátor z množiny všech možných regulátorů. Přenos výsledného regulátoru tedy obecně
opět vychází ve tvaru podílu kvazipolynomů. Jedná se o tzv. anisochronní
tvar [2]. Příklad schématu takového regulátoru je na obr. 3. Realizace tohoto regulátoru je složitější než v případě, že je jeho funkce dána pouze
simultánními integracemi a zesíleními. Nicméně, moderní řídicí prostředky dovolují realizaci pokročilých funkcí, jaké vyžaduje anisochronní regulátor. »
(4)
Je důležité si uvědomit, že klasický přenos (1) má konečný počet pólů, zatímco počet pólů (spektrum) v případě kvazipolynomiálního jmenovatele
je nekonečné. Stabilita kvazipolynomů se určuje s využitím Michajlovova
kritéria, podrobněji [1, 2].
Obr. 3: Realizace anisochronního regulátoru
Obr. 2: Zpětnovazební obvod – klasická verze
Algebraické metody návrhu regulátorů přinášejí elegantní a podobnou
metodiku bez ohledu na volbě okruhu, ve kterém se pracuje. Princip algebraického přístupu lze zhruba vyjádřit následujícím postupem. Nechť
je tedy řízený proces popsán modelem ve formě přenosu jako podíl dvou
prvků B(s) a A(s) v (některém) z okruhů, tedy G(s) = B(s)/A(s). Regulační obvod podle obr. 2 se uvažuje jako standardní jednoduchá zpětnovazební
smyčka s jedním regulátorem s přenosem GR(s) = Q(s)/P(s). Cílem syntézy
řízení je stabilizovat regulační obvod, zajistit sledování žádané hodnoty
w(t) a asymptotickou invarianci vůči poruše d(t). Návrh regulátoru se pak
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 11/2013
ALGEBRAIC APPROACH TO THE MANAGEMENT
OF SYSTEMS WITH DELAY
Analysis and control of delayed systems have attracted attention of engineers and scientists for decades. There are several
principles and methods how to overcome problems connected
with delay terms in the feedback loop. The contribution brings
a modern philosophy of control design based on meromorphic
function, quasipolynomials and Diophantine equations in the
appropriate ring. The novel control design is compared with
the algebraic design in traditional polynomials. •
119
X
E TRA
» ILUSTRATIVNÍ PŘÍKLAD A POROVNÁNÍ
Způsob návrhu regulátoru v okruzích RPS a RMS bude ilustrován pro řízený systém identifikovaný modelem prvního řádu s dopravním zpožděním
Ze všech stabilizujících regulátorů (5) se vybere takový, kde platí, že absolutní člen v P(s) je nulový, což odpovídá požadované dělitelnosti, jmenovatel FW(s) dělí jmenovatele P(s) v okruhu RPS. Při volbě konstantního T =
t0 se toho docílí, jestliže
(9)
Postup dle metodiky v části 2 výpočtu spočívá v prvé řadě ve vyjádření
v okruhu RMS
(16)
Zpětným dosazením do (6) se již obdrží regulátor, zajišťující stabilitu, sledování skokové žádané hodnoty a to ve tvaru reálného PID regulátoru
(17)
(10)
přičemž volba parametru m0 > 0 nakonec ovlivňuje výsledné chování regulačního obvodu. Lehce lze ověřit, že
je partikulární řešení rovnice (5) a všechna stabilizující řešení udává (6).
Pro P(s) v co nejjednodušší formě lze T(s) volit ve tvaru
kde určení pi , qi je rutinním algebraickým výpočtem. Skalární reálný parametr m0 je opět ladícím prostředkem pro ovlivňování regulačních vlastností a v koeficientech regulátoru se vyskytuje v nelineárním vyjádření
podobně jako v (15), (16). Simulačně nalezené „vhodné“ m0 = 0.4 generuje přenos regulátoru
, kde
pro splnění podmínky (7) je nutné brát
. Dosazením do (6) se
získá finální stabilizující regulátor, zajišťující asymptotické sledování w(t)
i kompenzaci poruchy na vstupu d(t) ve tvaru
(18)
Získaný finální PID regulátor je snadno realizovatelný simultánními integracemi. Pro řešení diofantických rovnic a práci s polynomy lze opět využít programový prostředek Polynomial Toolbox vytvořený pro prostředí
Matlab-Simulink. Porovnání regulačních pochodů při stejné změně žádané veličiny a působící poruše je uveden na obr. 4.
(11)
Jako ladící parametr zůstává skalární kladné reálné číslo m0, které ovlivňuje
vlastnosti a kvalitu regulační odezvy jako robustnost nebo rychlost odezvy
regulačního obvodu. Dosud neexistuje jednoznačný názor, jak tento parametr volit. Pro hledání m0 lze s výhodou použít standardních simulačních
prostředků např. Matlab-Simulink. Je zřetelné, že regulátor (11) se chová jako PI regulátor zejména pro nízké frekvence [(1 – e-3s)  0]. Ze známého
vztahu je pak přenos řízení popsán vztahem v jednoduchém tvaru
(12)
Vliv parametru m0 > 0 na kvalitu zřetelný. Vhodná odezva pro tento příklad byla získána pro hodnotu m0 = 0,25. Srovnáním získaného výsledku (11) se známým Smithovým prediktorem lze snadno ukázat, že tento výsledek ve struktuře podle Obr. 1 odpovídá PI regulátoru s přenosem
Obr. 4: Simulace řízení systému se zpoděním regulátory navrenými v okruzích RPS a RMS
(13)
Alternativním a starším způsobem je algebraický návrh pomocí diofantické rovnice v okruhu RPS. Hlavní rozdíl je v tom, že je nutné pracovat
pouze s klasickými polynomy, tedy nejprve je nutné aproximovat exponenciální funkci racionální lomenou funkcí. Pro přenos (9) lze použít (2)
a aproximovaný přenos má tvar
(14)
Volbou stabilního polynomu m(s) = (s + m0)2 se převede model (15) do
okruhu RPS podle (3). Při řešení stabilizující rovnice (5) se nejdříve určí
stupně čitatelů v P0(s) a Q0(s) a metodou neurčitých koeficientů se obdrží
partikulární řešení ve tvaru
ZÁVĚR
Příspěvek se zabývá návrhem regulátorů pro jednorozměrné systémy
s dopravním zpožděním. Klasický způsob návrhu v algebraickém přístupu využívá okruh polynomů nebo stabilních racionálních funkcí RPS.
V obou případech lze člen dopravního zpoždění pouze polynomiálně
aproximovat (Taylorova řada, Pade aproximace). Zavedení okruhu stabilních RQ-meromorfních funkcí RMS umožňuje syntézu regulátorů bez
jakékoliv aproximace. Množina stabilizujících regulátorů je dána všemi řešeními diofantické rovnice v tomto okruhu. Další požadavky na
regulační obvod jsou zajištěny podmínkami dělitelnosti v tomto okruhu. Uvedená metodika poskytuje navíc skalární kladný parametr, pomocí kterého lze ladit parametry regulátoru i regulační pochody. Využití okruhu RMS generuje regulátory ve struktuře Smithových predátorů.
Prezentovaná metodika je vhodná i pro obecnější třídu systémů se
zpožděním a poskytuje elegantní a konsistentní způsob návrhu regulátorů, který lze využít v samočinném ladění regulátorů (autotuning) nebo v adaptivním řízení.
PODĚKOVÁNÍ
(15)
120
Tato práce byla podpořena Evropským fondem regionálního rozvoje (ERDF)
v rámci projektu CEBIA-Tech s č. CZ.1.05/2.1.00/03.0089.
ENGINEERING.SK
INFORMAČNÉ TECHNOLÓGIE
LITERATURA
[1] Zítek, P.; Kučera, V.: Algebraic design of anisochronic controllers for time delay systems. International Journal of Control, 2003, Vol. 76, No. 16,
905-921
[2] Zítek, P.; Víteček, A.: Návrh řízení podsystémů se zpožděními a nelinearitami. Nakladatelství ČVUT. Praha 1999
[3] Smith, O. J. M.: Closer Control of Loops with Death Time. Chem. Eng. Prog. 53, 1957, p. 217
[4] Kaya, I.; Atherton, D. P.: A new PI-PD Smith predictor for control of processes with long death time. IFAC 14th Triennial World Congress, 1999,
pp. 283 – 287.
[5] Zhong, Q.CH.: Robust Control of Time-delay Systems. Springer Verlag. London. 2006. 232 s. ISBN 1-84628-264-0.
[6] Prokop, R.; Corriou, J. P.: Design and analysis of simple robust controllers. International Journal of Control, 1997, Vol. 66, No. 6, pp. 905 – 921
[7] Fliess, M.; Marques, R.; Mounier, H.: An extension of predictive control, PID regulators and Smith predictors to some linear delay systems.
International Journal of Control, 2002, vol. 75, No. 10, pp. 728 – 743
[8] Prokop, R.; Pekař, L.: Využití meromorfních funkcí při řízení systémů s dopravním zpožděním. Automa, 2007, No.7, s. 2 – 5
[9] Pekař, L.; Prokop, R.: Some observations about the RMS ring for delayed systems. In Proc. 17th Int. Conf. on Process Control ’09, Štrbské Pleso,
2009 Slovakia, s. 28 – 36.
[10] Kučera, V. (1993): Diophantine equations in control – a survey, Automatica, 29, 1 361 – 1 375
[11] Vidyasagar, M.: 1987. Control system synthesis: a factorization approach. MIT Press, Cambridge, M. A.
[12] Zítek, P.; Vyhlídal T.: Low order time delay approximation of conventional linear model. In: Proceedings of 4th MathMod conference. Vienna.
2003. •
ST R OJ Á R O M
ST R OJÁ R S K Y
K A L E N DÁ R
Už dn žiadajte
na svoj ôl
tel.: +421 41 5640 370
fax: +421 41 5640 371
215x146 inzerat.indd 3
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 11/2013
[email protected]
www.strojarskykalendar.sk
25. 10. 2013 13:32:24
121
X
E TRA
OVERENIE A POROVNANIE DVOCH ŠTANDARDNÝCH
METÓD NA MERANIE CELKOVÉHO ČÍSLA KYSLOSTI
V OPOTREBOVANÝCH OLEJOCH
Príspevok sa zaoberá porovnaním a overením dvoch štandardných metód na meranie celkového čísla kyslosti
opotrebovaných olejov. Sú porovnávané dve metódy na meranie leteckých motorových a izolačných olejov. Porovnáva sa
postup metód od prípravy titračných roztokov, rozpúšťadiel, cez naváky vzoriek a pouitie elektród a po presnosť merania
na konkrétnych vzorkách olejov. TEXT/FOTO RNDR. JANKA MIHALČOVÁ, PHD., FAKULTA VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ, TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH
Z
meraní vzoriek je vypočítaná presnosť
a správnosť obidvoch metód s využitím štatistického spracovania výsledkov meraní. Na to je využitá interná kontrola
meraní pomocou vnútorného štandardu a tiež
medzilaboratórne porovnanie výsledkov meraní.
Meranie množstva látok kyslého charakteru,
ktoré vznikajú oxidáciou uhľovodíkového reťazca v oleji počas jeho používania sa zabezpečuje
viacerými štandardnými metódami. Množstvo
týchto kyslých látok v oleji priamo určuje stupeň degradácie oleja a vyjadruje sa zvyčajne celkovým číslom kyslosti. ASTM D 664 stanovuje
číslo kyslosti v ropných látkach potenciometrickou titráciou, STN 65 6070 stanovuje kyslosť
a číslo kyslosti v ropných látkach a STN 65 0347
stanovuje kyslosť a zásaditosť organických chemických produktov. V izolačných olejoch sa na
stanovenie čísla kyslosti potenciometrickou titráciou využíva metóda STN EN 62 0121-1. Pomocou týchto metód je možné stanoviť TAN
122
(Total Acide Number = celkové číslo kyslosti) alebo TBN (Total Base Number = celkové číslo zásaditosti). V prípade STN 65 0347 ide o stanovenie týchto látok v svetlých i v tmavých ropných
produktoch, pričom je možná vizuálna alebo potenciometrická indikácia ekvivalentného bodu.
STN 14 0104 umožňuje stanoviť číslo kyslosti metyl-esterov mastných kyselín v derivátoch
tukov a olejov; tieto látky sa sledujú v opotrebovaných olejoch z dôvodu ich výskytu v automobilových palivách. Hodnoty TAN sú zvyčajne
určené pre každý produkt a sú uvedené v technickom liste, napríklad pre čistý motorový letecký olej ASTO-555 je maximálna hodnota 0,5 mg
KOH/g, pre čistý hydraulický olej ASF-41 je to
0,2 mg KOH/g. Avšak limitné hodnoty olejov
v prevádzke je nutné stanoviť empiricky.
EXPERIMENTÁLNA ČASŤ
Analýzy boli vykonávané na poloautomatickom potenciometrickom titrátore 702 SM
TITRINO s dávkovanou byretou s objemom
20 ml s použitím alkoholického roztoku KOH
ako titračného činidla za automatického miešania vzorky.
Na stanovenie titra titračného činidla bol použitý hydrogenftalan draselný (C8H5KO4) čistoty p.a. Použité chemikálie a elektródy v jednotlivých metódach sú pre porovnanie uvedené
v tab. 1.
Platinová elektróda sa využíva ako pomocná
elektróda na odstránenie šumu, ktorý vzniká
pôsobením statického náboja v nevodných rozpúšťadlách, ktoré sú v tomto prípade použité.
Pred skúškou sa meraná vzorka v obidvoch metódach premieša dvojminútovým pretrepávaním. Navážka meranej vzorky sa pri stanovení TAN v motorových olejoch určí podľa STN
65 6070 (tab. 2). Navážka vzorky pri stanovení
TAN v izolačných olejoch je 5 ± 0,1 g minerálneho oleja s presnosťou 0,01 g na 20 ± 0,1 ml
rozpúšťadla.
ENGINEERING.SK
TRIBOLÓGIA – TRIBOTECHNIKA
Tab. 1 Porovnanie metódy na stanovenie TAN v motorových olejoch podľa STN 65 6070 a izolačných olejoch podľa STN EN 62021-1
Chemikálie/materiál
Titračné činidlo: alkoholický roztok KOH
Použitie po príprave titračného činidla
Rozpúšťadlo
Sklenená elektróda
Chloridostrieborná elektróda
Dvojitá platinová elektróda
Množstvo C8H5KO4 na stanovenie faktora
pH kalibrácia
Indikácia ekvivalentného bodu
Kontrola faktora
Uvádzanie výsledkov
Motorové oleje
0,1 M KOH v etanole
24 hod. (na tmavom mieste)
chloroform / 2-propanol v pomere 2 : 1
áno
áno
áno
0,30 g v 50 ml vody
nie
inflexný bod na titračnej krivke
raz za dva týždne
na dve platné číslice
Izolačné oleje
0,05 M KOH v 2-propanole
48 hod. (na tmavom mieste)
2-propanol
áno
áno
nie
0, 10 g až 0,16 s presnosťou na 0,0002 g v 100 ml vody
áno
koncový bod pri pH = 11,5
pred každým meraním
na tri platné číslice
Opakovateľnosť
0,06 pre NH
do 0,5 mg KOH/g
0,10 pre NH nad 0,5 do 1,0 mg KOH/g
0,2 pre NH nad 0,1 mg KOH/g
6 % pre nepoužité oleje
12 % pre použité oleje
Reprodukovateľnosť
0,10 pre NH
do 0,5 mg KOH/g
0,20 pre NH nad 0,5 do 1,0 mg KOH/g
0,40 pre NH
nad 0,10 mg KOH/g
28 % pre nepoužité oleje
35 % pre použité oleje
Tab. 2 Hmotnosť naváky vzorky podľa STN 65 6070
pH kalibrácia
Číslo kyslosti (mg KOH/g)
Navážka vzorky (g)
do 0,2
20 ± 2
nad 0,2 do 0,5
10 ± 2
nad 0,5 do 1,0
5,0 ± 0,5
nad 1,0
2,0 ± 0,5
POSTUP MERANIA
Pred vlastným meraním TAN v izolačných
olejoch je potrebné vykonať kalibráciu elektród pomocou tlmivých roztokov. Na kalibráciu sa použijú minimálne dva tlmivé roztoky.
V našom prípade bola kalibrácia uskutočnená pomocou tlmivých roztokov s pH 4, pH 7
a pH 9. Po ukončení kalibrácie sa výsledky extrapolujú pre pH 11,5, ktorý je koncovým bodom indikácie ekvivalentného bodu pH kalibrácie. Výstupom je linearita a strmosť
kalibračnej krivky.
Faktor titračného roztoku
Faktor titračného roztoku f alkoholického hydroxidu draselného sa stanoví na základe titrácie roztoku základnej látky, ktorou je v našom
prípade, roztok hydrogenftalanu draselného.
Postupy v metódach sa líšia v rôznom navážení hydrogenftalanu draselného a rozpustení v inom množstve vody (tab. 1). V obidvoch
metódach sa hodnota faktora f vypočíta podľa
vzorca:
(1)
m0 – navážka hydrogenftalanu draselného (g),
k – koeficient prepočtu jednotiek, k = 10 000,
M0 – molekulová hmotnosť hydrogenftalanu
draselného (204,23 g/mol),
V0 – objem spotrebovaného roztoku KOH na
titráciu (ml).
Výsledkom stanovenia faktora je aritmetický
priemer najmenej troch po sebe nasledujúcich
meraní, pričom rozdiely medzi nimi nesmú byť
väčšie ako 0,03 mg.ml-1.
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 11/2013
Vlastné meranie
Po stanovení faktora titračného roztoku KOH,
slepého pokusu na rozpúšťadlo a v prípade izolačných olejov aj po pH kalibrácii začína vlastné
meranie vzoriek oleja. Stanovenie slepého pokusu sa robí z dôvodu zanedbania vplyvu kyslých
zložiek nachádzajúcich sa v rozpúšťadle, ktoré
by mohli ovplyvňovať konečný výsledok stanovenia. Objem rozpúšťadla na určenie spotreby
slepého pokusu je daný množstvom, ktoré sa použije na rozpustenie vzorky. Pri stanovení TAN
v motorových olejoch sa zistí spotreba titračného činidla na slepý pokus jedným stanovením.
Pre izolačné oleje sa slepý pokus robí dvakrát za
sebou, pričom rozdiel medzi dvomi meraniami
nesmie byť väčší ako 0,01 ml spotrebovaného titračného činidla pri použití 45 ml rozpúšťadla.
Hmotnosť navážok vzoriek leteckých motorových olejov bol v rozsahu od 5 do 10 g rozpustených v 30 až 40 ml rozpúšťadla. Izolačné oleje boli navažované v hmotnosti
približne 10 g a rozpustené v 45 ml príslušného rozpúšťadla. Za stáleho miešania sa titruje alkoholickým roztokom KOH rozpustená
vzorka oleja v rozpúšťadle za merania rozdielu elektródových potenciálov. Pri meraní
motorových leteckých olejoch sa zaznamená
VERIFICATION AND
COMPARISON OF TWO
STANDARD METHODS FOR
MEASUREMENT OF TOTAL ACID
NUMBER IN WORN OUT OILS
The paper deals with comparison and
verification of two standard methods
for measuring the total acid number of
used oils. The methods for measuring
aircraft motor and insulating oils are
compared. The method procedures,
preparation titration solutions,
solvents, through the use of the test
sample and electrodes to the accuracy
of the measurement on the sample oils
are compared. Compares the process
of preparation methods of titrating
solution, solvents, samples and fills
through the use of electrodes to the
accuracy of the measurement on the
sample oils. From measurements of
the samples is calculated precision
and accuracy of both methods using
statistical processing of measurement
results. It is used to control internal
measurements using an internal
standard and also inter-laboratory
comparison of measurement results. •
123
X
E TRA
množstvo spotrebovaného titračného činidla
v ekvivalentnom bode titračnej krivky, keď
nastáva prudká zmena potenciálu indikačnej
elektródy. Pri meraní izolačných olejov sa na
výpočet čísla kyslosti využije množstvo KOH
spotrebovaného pri dosiahnutí hodnoty pH
= 11,5 roztoku. Na základe objemu spotrebovaného činidla KOH sa vypočíta hodnota celkového čísla kyslosti pomocou nasledujúceho vzorca:
(2)
V1 – objem roztoku KOH spotrebovaného
na titráciu vzorky (ml),
V2 – objem roztoku KOH (delený dvoma)
spotrebovaného na slepý pokus (ml),
f KOH – titračný faktor roztoku KOH (mg/ml),
M – molekulová hmotnosť KOH (56,1 g/mol),
m – hmotnosť navážky vzorky (g).
Číselný údaj výsledku je v jednotkách mg
KOH/g vzorky. Výsledkom skúšky je aritmetický priemer dvoch za sebou nasledujúcich výsledkov meraní.
Opakovateľnosť a reprodukovateľnosť stanovenia TAN v motorových olejoch a tiež v izolačných olejoch nesmú byť horšie ako uvádzajú
príslušné normy, pozri tab. 1, hore.
VÝSLEDKY MERANIA
Vypočítaná správnosť a presnosť merania TAN
je porovnaná navzájom pre obidve metódy a aj
s údajmi uvedenými v príslušných normách.
Pre zabezpečenie správnosti merania pomocou automatického titrátora je každoročne vykonávaná kontrola správnej funkčnosti prístroja autorizovaným servisným pracovníkom.
Uskutočňuje sa kalibrácia elektronických súčastí pomocou etalónov. Kalibračný certifikát
je výstupom z kontroly, kde je uvedený príspevok neistoty elektronických častí zariadenia
a objemu dávkovacej byrety. Správnosť merania v motorových leteckých olejoch a správna
funkčnosť titrátora je zabezpečená meraním
vnútorného štandardu na začiatku dňa pred
meraním vzoriek. Presnosť metódy je z hľadiska opakovateľnosti vypočítaná z troch vzoriek
olejov získaných z prevádzky. Na výpočet reprodukovateľnosti sú použité výsledky z medzilaboratórneho porovnania s akreditovaným laboratóriom. Pre izolačné oleje sú na stanovenie
správnosti aj presnosti využité výsledky z účasti
na medzilaboratórnom porovnaní organizovanom Slovenskými elektrárňami.
Keďže nie je dostupný certifikovaný referenčný
materiál, ani referenčný materiál na stanovenie TAN, bol laboratóriom pripravený vnútorný
štandard. Pravidelné meranie tohto štandardu
pred každým meraním v deň merania vzoriek
je znázornené vo forme regulačného diagramu (obr. 1). Jeho referenčná hodnota bola určená z viacnásobných meraní v priebehu niekoľkých dní a súčasne bola overená jeho hodnota
meraním v akreditovanom laboratóriu, ktoré
124
Tab. 3 Porovnanie opakovateľnosti a reprodukovateľnosti metódy pre stanovenie TAN v motorových olejoch
Číslo
vzorky
Priemerná hodnota
nášho stanovenia
(mg KOH/g)
Relatívna
sop (%)
Priemerná hodnota stanovenia
v inom laboratóriu
(mg KOH/g)
Relatívna
srep (%)
1.
2.
3.
0,045
0,460
1,530
1,6
2,2
1,3
0,043
0,460
1,570
3,2
0
1,8
Poznámka: Vo vzorke č. 2 bola stanovená rovnaká priemerná hodnota TAN v obidvoch laboratóriách, preto je hodnota
odchýlky nulová.
je spôsobilé stanoviť TAN v olejoch. Kontrola správnosti sa určuje vyhodnotením výsledku
merania vnútorného štandardu podľa vzťahu:
(3)
–x – priemerná hodnota stanovenia,
x0 – referenčná hodnota vnútorného štandardu,
s – smerodajná odchýlka stanovenia.
Ak táto podmienka nie je splnená, teda nameraná hodnota je väčšia ako 0,63 mg KOH/ g
vzorky alebo menšia ako 0,49 mg KOH/g vzorky (obr. 1), metóda je zaťažená systematickou
chybou, ktorá môže byť spôsobená samotnou
metódou alebo spôsobom používania metódy,
prípadne prostredím, v ktorom sa meranie realizuje alebo poruchou prístroja. Je potrebné ju
odstrániť a opakovane preveriť správnosť metódy. Referenčná hodnota pripraveného vnútorného štandardu bola vypočítaná na hodnotu
0,56 mg KOH/g vzorky.
Vypočítala sa relatívna hodnota opakovateľnosti meraním troch vzoriek olejov pokrývajúcich celý koncentračný rozsah, v ktorom je
deklarovaná spôsobilosť merania (tab. 3). Relatívna hodnota reprodukovateľnosti sa vypočítala z medzilaboratórneho porovnania s iným
akreditovaným laboratóriom rovnako na týchto troch vzorkách (tab. 3).
Presnosť a správnosť merania TAN v izolačných olejoch vychádza z medzilaboratórneho
porovnania troch vzoriek použitých izolačných
olejov. Presnosť, s akou boli stanovené hodnoty TAN v laboratóriu je vyjadrená hodnotou
smerodajnej odchýlky aj relatívnej smerodajnej odchýlky opakovateľnosti (tab. 4). Hodnoty
namerané v laboratóriu boli porovnané s prijatou referenčnou hodnotou, ktorá bola vypočítaná ako stredná hodnota základného súboru meraní po vylúčení odľahlých hodnôt. Správnosť
stanovenia bola určená dovolenými hraničnými hodnotami stanovenými komisiou v súlade
s STN ISO 5725, (tab. 5). Hranica opakovateľnosti rst bola vypočítaná vynásobením prijatej
referenčnej hodnoty hodnotou 0,3. Hranica
reprodukovateľnosti Rst bola vypočítaná vynásobením druhej mocniny prijatej referenčnej
hodnoty hodnotou 195. Odchýlky priemeru
merania každej vzorky od prijatej referenčnej
hodnoty sú vyjadrené ako vychýlenosť laboratória, (tab.6). Tieto hodnoty vychýlenosti laboratória boli porovnané s kritickým rozdielom,
ktorý bol vypočítaný pre každú vzorku podľa
STN ISO 5725.
Tab. 6 Porovnanie vychýlenosti laboratória s kritickým
rozdielom
Číslo vzorky
1.
2.
3.
Vychýlenosť
– 0,0255
– 0,0106
– 0,0371
Kritický rozdiel
 0,0624
 0,0383
 0,0614
DISKUSIA
Z výsledkov meraní správnosti TAN v motorových olejoch je zrejmé, že namerané výsledky sú
zhodné. Rozdiely priemernej hodnoty stanovenia a referenčnej hodnoty vnútorného štandardu sú menšie ako trojnásobok smerodajnej odchýlky reprodukovateľnosti.
Tab. 4 Presnosť merania TAN (mg KOH/g) v izolačných olejoch
Číslo vzorky
1. meranie
2. meranie
sop (mg KOH/g)
Relatívna sop (%)
1.
2.
3.
0,067
0,029
0,048
0,063
0,028
0,049
0,02828
0,00071
0,00071
4,35
2,48
1,46
Tab. 5 Porovnanie správnosti stanovenia TAN (mg KOH/g) v izolačných olejoch
Číslo vzorky
Priemerná hodnota nášho stanovenia
rst
Rst
Prijatá referenčná hodnota
1.
2.
3.
0,065
0,029
0,049
0,099
0,053
0,033
0,0848
0,0536
0,0792
0,0905
0,0391
0,0856
ENGINEERING.SK
TRIBOLÓGIA – TRIBOTECHNIKA
Štatistické výpočty potvrdzujú, že podmienka správnosti je splnená, metóda nie je zaťažená systematickou chybou. Z výsledkov meraní presnosti TAN v troch vzorkách olejov
pokrývajúcich celý koncentračný rozsah boli štatisticky vypočítané smerodajné odchýlky
opakovateľnosti a reprodukovateľnosti. Ich
relatívne hodnoty dosahujú maximálne 3,2 %
z aritmetického priemeru stanovenia. Preto
môžeme potvrdiť, že metóda na stanovenie
TAN v motorových olejoch je presná a vyhovuje presnosti, ktorá je deklarovaná v norme
STN65 6070.
Účasťou laboratória na medzilaboratórnom porovnaní organizovanom Slovenskými elektrárňami bola okrem iných skúšok zisťovaná presnosť a správnosť stanovenia TAN v izolačných
olejoch. Výsledky boli získané po štatistickom
spracovaní skúšok jednotlivých laboratórií v súlade s normou STN ISO 5725 „Presnosť (správnosť a zhodnosť) metód a výsledkov merania“
pomocou metódy analýzy rozptylu (ANOVA).
Laboratórium bolo komisiou pre organizovanie a vyhodnotenie porovnania uznané za spôsobilé na vykonávanie skúšky ak minimálne pre
dve z troch vzoriek vychýlenosť stanovenia nepresahovala hraničné hodnoty. Z výsledkov medzilaboratórneho porovnania, ktoré sú uvedené
v tab. 5 a 6 je potvrdené, že laboratórium je spôsobilé vykonávať danú skúšku.
ZÁVER
V príspevku sú podrobne popísané postupy
skúšky na stanovenie TAN v motorových
a v izolačných olejoch, ktorých hodnota je dôležitou informáciou pre zistenie oxidačnej degradácie oleja v prevádzke. Dôraz sa kladie na
poukázanie rozdielov v jednotlivých postupoch, a to od prípravy titračného činidla, typu a použitia rozpúšťadiel, elektród až po navážky jednotlivých vzoriek olejov podľa toho,
o ktorý druh oleja ide. V obidvoch prípadoch
sú vzorky získané z prevádzky, čiže ide o analýzy opotrebovaných olejov. Zisťovaná presnosť
a správnosť stanovenia TAN bola porovnaná pre obidve metódy s využitím štatistického spracovania výsledkov meraní. Zistilo sa, že
presnosť stanovenia TAN v motorových olejoch
nadobúda hodnoty opakovateľnosti 2,5 % a reprodukovateľnosti 3,5 %. V izolačných olejoch
je vypočítaná opakovateľnosť na 5 % a reprodukovateľnosť na 9 %. Namerané hodnoty spĺňajú dostatočnú správnosť a majú lepšiu presnosť
stanovenia, ako predpisujú príslušné normy. •
POZNÁMKA:
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.
LITERATÚRA:
[1] Mihalčová, J.: Diagnostika mazacích kvapalín: Štúdia. SLI-188/2006, 35 s., SLI, a. s., Košice, november 2006
[2] MUSIL, S.; ĎURIŠ, S.: Metrológia a kvalita. SMU Bratislava. 2002. 150 str. ISBN 80-89112-00-5
[3] Interný predpis: Stanovenie čísla kyslosti mazacích olejov, Slovenský letecký inštitút, a. s., 2005. Tribotechnické laboratórium, Košice
[4] Interný predpis: Stanovenie čísla kyslosti izolačných olejov, Slovenský letecký inštitút, a. s., 2007. Tribotechnické laboratórium, Košice
[5] Hanzel, A.; Hudec, M.; Palenčár, R.: Správa o medzilaboratórnom porovnaní skúšok izolačných olejov v roku 2007. Bratislava
[6] STN 65 6070: 1984: Stanovenie kyslosti a čísla kyslosti v ropných látkach.
[7] STN EN 62021-1: 2004: Izolačné kvapaliny. Určovanie čísla kyslosti. Časť 1: Automatická potenciometrická titrácia.
Download

November/Listopad 2013