NOWA METODA BUDOWY RODZIN KONSTRUKCJI (SPRĘŻYNOWE UKŁADY ODCIĄŻAJĄCE BRAM GARAŻOWYCH)

Transkrypt

1 acta mechanca et automatca, vol.3 no.2 (29) NOWA ETODA UDOWY RODZIN KONSTRUKCJI (SPRĘŻYNOWE UKŁADY ODCIĄŻAJĄCE RA GARAŻOWYC) Sebastan GŁOWALA *, ogdan RANOWSKI * * Zakład etod Proektowana asyn, Instytut Slnków Spalnowych, Poltechnka Ponańska, ul. Potrowo 3, Ponań s.glowala@konto.pl, bogdan.branowsk@put.ponan.pl Strescene: W pracy predstawono metodę arądana warantam bram garażowych w procese rowou produktów pre roponane prycyn różnorodnośc astosowane asad prawdłowego warantowana. Zastosowano analę procesów produktu powalaącą na budowę rodny cęśc (sprężyn) uporądkowanych w sparametryowanych katalogach. W pracy analue sę nacęśce stosowany odcążaący układ dwóch skrętowych sprężyn śrubowych walcowych drutu o prekrou kołowym napęcem wstępnym woów. Nowe podeśce do proektowana typoseregów mesanych bram est oparte na anale statystycne produkc asadach budowy ekonomcnych rodn konstrukc. 1. CARAKTERYSTYKA PROLEU Ropatrywane w pracy bramy garażowe tworą rodnę tw. modularnych konstrukc segmentowych, budowanych połąconych konstrukcynych technologcnych modułów segmentów, wyróżnonych e wględu na funkce techncne lub aspekty techncno-wykonawce. Rys. 1. Typy proektowana bram garażowych ad ndvduum ad unversum : a typowa konstrukca segmentowe bramy garażowe odcążaącym układem sprężyn skrętowych; b układ odcążaący e sprężynam skrętowym, bębnam lnowym, mufam wałem; c ndywdualowane proektowane układu odcążaącego dla punktu (, ) powerchn wymarów otworu bramy; d unwersalne proektowane układu odcążaącego dla komórk typoseregu wymarów (, ) bramy; e wytworony u producenta montowany układ sprężyn; f wytworony montowany u dostawcy układ sprężyn; g wstęga ako półfabrykat sprężyn W konstrukc bram można wyróżnć dwa asadnce układy: robocy (skrydło segmentowe prowadncam tocnym) odcążaący (espół napętych wstępne sprężyn lewych prawych wałem bębnam lnowym lnkam). W proektowanu układów odcążaących bram nacęśce stosowana est metoda proektowana ad ndvduum (rysunek 1 c). W te metode dla adanych wymarów, otworu bramy dobera sę sprężyny odcążaącego układu (rysunek 1 e) cęte na długość dostarconych pre dostawcę wstęg sprężynowych (rysunek 1 g) montowane u producenta bram. Pry duże różnorodnośc wymarów, lub też powtaralnośc typowych wymarów (, ) bram każdoraowo proces proektowana est wnawany. W pryęte pre autorów metode unwersalnego proektowana każde komórce typoseregów bram (rysunek 1 d) pryporądkowany est eden lub klka układów sprężyn odcążaących, które mogą być podstawą adań oceny wyboru kryteralnego lub arbtralnego układu odcążena. Sprężyny wmontowanym mufam są wykonywane u dostawcy sprężyn (rysunek 1 f). Ich różnorodność est mała, co węksa welkość ser produkcyne. Jądrem algorytmu oblcenowego est ałożene odcążena całkowtego, to nacy równoważena momentu sł cężkośc skrydła bramy pre sły sprężystośc układu dwóch sprężyn w dowolne poyc skrydła (rysunek 2 a). Ta asada równowag momentu obcążena odcążena skrydła bramy ma charakter cysto teoretycny. Praktycny sens modelowana elementów odcążaących skrydła nadae tarce występuące arówno w układe prowadnc skrydła, ak w łożyskach wału, a także w sprężynach. Zachowawcy charakter tarca (rysunek 2 b) powodue pryrost sły ewnętrne pry podnosenu obnżene sły pry opuscanu skrydła. Neustalony charakter tarca utrudna proektowane (knetycny statycny współcynnk tarca, ależność współcynnka tarca od mennych nacsków, prędkośc warunków otocena np. temperatury). Dynamka układu ma mnesy wpływ na ego dałane, własca pry napęde ręcnym skrydła (ranowsk Głowala S, 27). 33

2 Sebastan Głowala, ogdan ranowsk Nowa metoda budowy rodn konstrukc (sprężynowe układy odcążaące bram garażowych) Z repreentac geometrycne (rysunek 4) rokładu p(,) pry Δ2 mm wynka, że występuą dwa skupska lcb bram: domnuący obsar astosowań dla akresu wymarów 19,,33mm 16,,28 (produkca welkoseryna, pry garażach dla ednego poadu) ważny obsar astosowań 37,,49 mm 18,,24 (produkca seryna, pry garażach dla dwóch poadów). W poostałych komórkach obsaru poostało edyne 191 bram (ok. 2% bram netypowych). Wychodąc podstawowych ależnośc momentu (al. 2) pry otwarte brame stywnośc umowne układu R (al. 3) sprężyn ako funkc dwóch mennych wymaa) b) Rys. 3. Zasadncy schemat wyrównoważena: 1 prowadnca; 2 bęben; 3 sprężyna skrętowa; 4 wał; 5 lna (Cap, 28) Rys. 2. Charakterystyka równoważena systemu skrydła: a) ogólna asada równoważena bramy, b) hpotetycny prebeg man sły ewnętrne F równe sle tarca T, pry podnosenu opuscanu skrydła bramy (R- promeń bębna lnowego) (ranowsk Głowala, 27) Zależnośc opsuące system równoważena skrydła bramy ostały podane w pracach (ranowsk Głowala, 27; PN-EN 1264:22) pownny ałożoną dokładnoścą (maksymalnym odchylenem wartośc sły godnym normą) spełnać równane (1). ob ( θ ) od ( θ ) dla θ m θ θ ; (1) Zmennym decyynym w proektowanu są: roda kombnac typowymarów sprężyn ora długośc L L L p sprężyn, które dopasowuą charakterystykę układu odcążaącego do charakterystyk bramy. Na rysunku 4 predstawono wynk analy cęstośc występowana lcby p(, ) garażowych bram segmentowych o określonym akrese wymarów otworu bramy <13,,49> mm <16,,28> mm w rocnym programe produkcynym określonego producenta. Zmenny moment obcążaący ob, pochodący od skrydła bramy, pownen ostać równoważony momentem od układu odcążaącego. 2. ANALIZA STATYSTYCZNA RÓŻNORODNOŚCI SEGENTOWYC RA GARAŻOWYC I UDOWA TYPOSZEREGU W dotychcasowym procese proektowana bram w węksośc frm układ sprężyn odcążaących doberano dla adanych wymarów, otworu bramy (rysunek 3). Pry rocnym programe produkcynym bram około 1 tys. st. różnorodność dwóch sprężyn układu odcążaącego wynos około 2 tys. st., pry cym cęsto powtaraą sę te same sprężyny pry blżonych uprywleowanych wymarach bram. Same sprężyny są wykonywane ograncone lcby półfabrykatów (tw. wstęg) w dwóch typoseregach (lewych L prawych P sprężyn) o pęcu typowymarach podstawowych locynu średncy drutu wewnętrne średncy sprężyny dxd (5,x51; 5,5x51; 6,x51; 6,5x67; 7,x67 mm) o długośc 3mm. Rys. 4. Anala skupsk rowąań konstrukcynych bram ako podstawa podału prestren rowąań na dwa typosereg bram (ranowsk Głowala, 27) 34

3 acta mechanca et automatca, vol.3 no.2 (29) rów bramy, (patr rysunek 2), ( a qśr ) R ; (2) R R + R ( m) /( / R) ; (3) L P można wynacyć rachunkem różnckowym (4) many wględne Δ/ ΔR /R wywołane małym manam parametrów Δ: Δ Δ + ; ΔR R 25 Δ + 25 ; (4) co onaca, że many stywnośc układu sprężyn są mało ależne od wymaru. Prymuąc kryterum podobne wartośc błędu wględnego stywnośc układu sprężyn ΔR /R dla dowolne komórk można ałożyć, ż stopnowane serokośc komórek (al. 5) wdłuż serokośc (al. 6) bramy pownno achodć wg postępu geometrycnego (Pahl et, 1984): Δ 1 1 ϕ 1 1, 6 ; (5) + ( ϕ 1) /( ϕ 1) (1,6 1)/,6 a stopnowane wysokośc komórek Δ (al. 7) poostawać stałe wdłuż wysokośc bramy: (6) + Δ ; Δ Δ 125 ; (7) gde: ndeksy, wynacaą komórkę typoseregu. Pry transformac wspomnanych punktów (, ) prostokąta x Δ na płascyźne (, θ p ) uyskue sę równoległobok, na którym można onacyć charakterystykę stywnośc sprężyn. W każdym werchołków równoległoboku na rysunku 5, cyl brame o określonych wymarach, występuą różne wartośc parametrów R. W koncepc autorów marodanym parametram komórk (, ) typoseregu bram są: maksymalny moment komórk (, ) średna stywność komórk R Zsr (al. 8) równa: Δ 25 RZsr,25 RZ (4 2 2 ) 25 Δ 25 RZ [1,5 ( + )] 25 W celu węksena dokładnośc odworowana charakterystyk bramy pre charakterystykę sprężyn pryęto sprężynę prawą ako główną sprężynę espołu e wględu na prenosony moment, a sprężynę lewą ako sprężynę regulacyną apewnaącą dokładność odworowana układu. Tak układ stywne sprężyny główne o małe lcbe woów podatne sprężyny regulacyne o nacne wękse lcbe woów pownen apewnć nenacny wrost masy (kostów) sprężyn w typoseregach bram. Zadana charakterystyka espołu sprężyn wynka e współpracy dwóch równolegle połąconych sprężyn. (8) Rys. 5. Zmany momentu many stywnośc R s w elementarne komórce Δ typoseregu bram Predstawone postace charakterystyk bramy espołu sprężyn podano wprowadonym do algorytmac odchyłkam obcążeń w grancnych położenach asuwy bramy (dodatna Δ uemna odchyłka Δm apewnaą samopoyconowane bramy). W budowe algorytmu oblcenowego układu dwóch sprężyn śrubowych skrętowych pryęto, że grancne momenty skręcaące sprężyn, wynkaące wytrymałośc na gnane wou o tych samych wymarach średncy drutu d wewnętrne średncy sprężyny D są take same w obu sprężynach (al. 9) dopl dopp, gdyż ne ależą od różnych co do wartośc lcb woów cynnych (n pl n pp ) sprężyn (essner Wanke, 1988): dopl dopp π d σ k gdop ; (9) gde: współcynnk poprawkowe naprężeń k(4w-1)/ (4w-4) pry wskaźnku w sprężyny wd m /d(d/d)+1 naprężena dopuscalne σ gdop R m pryęto dla sprężyn wnętych godne kerunkem obcążana pry obcążenu quas-statycnym pry lcbe cykl N1 4 man obcążena. Opróc podanych powyże warunków wytrymałoścowych ( sp dop ) ora warunku męcenowego algorytm ostał uupełnony o nnego typu ograncena (al. 1) powalaące na montaż układu sprężyn: ( ) 2 [( ) p d ] [ n d p ] S L+ T n + n d + T 2 ( + 8) (1) gde: L suma długośc sprężyny lewe prawe, T naddatek serokoścowy. Powyżse ograncene apewna mesce na amontowane bębnów, elementów mocowana wału ora ewentualnego napędu. Sprawdano równeż cy obe sprężyny dałaą ako elementy odcążaące w całym akrese podnosena skrydła θ mp θ ml. Jednoceśne analuąc możlwe dopuscalne odchyłk ograncena bramy w algorytme sprawdano cy sła potrebna do many poyc skrydła w skranych położenach est mnesa od 15N (al. 11). 15 R; m m 15 R (11) s s W celu naleena dopuscalnego rowąana wsystke powyżse ograncena sprawdano równeż dla 35

4 Sebastan Głowala, ogdan ranowsk Nowa metoda budowy rodn konstrukc (sprężynowe układy odcążaące bram garażowych) drugego punktu charakterystycnego o parametrach (-1, - 1) daącego maksymalne błędy. uduąc algorytm należy ednoceśne pamętać o nemodelowanych awskach takch ak: nedokładność metod oblcenowych momentu obcążena cężarem skrydła bramy momentu odcążena sprężynam; odchyłk wykonawce odkstałcena sprężyste elementów systemu w produkc montażu bramy; odchyłk charakterystyk produkcynych sprężyn ch nastaw montażowych; many stanów awsk nedoskonałośc sprężyste w sprężynach skrętowych (męcene, hsterea, relaksaca) w procese użytkowana bramy. 3. OLICZENIA NUERYCZNE DOORU UKŁADU SPRĘŻYN DLA TYPOSZEREGU RA Na podstawe powyżsych ależnośc ostał budowany algorytm, który był podstawą oprogramowana komputerowego amplementowanego w ęyku Fortran. Program współpracował wceśne podaną perwotną baą lewych prawych sprężyn. Analuąc otrymane wynk doboru par sprężyn okaało sę, ż cęść elementów perwotne bay danych sprężyn ne poawa sę w rowąanach dopuscalnych dla określonego typoseregu, a klka sprężyn występue tylko w edne e 136 komórek dwóch powstałych typoseregów. W 19 komórkach typoseregów ne występowały rowąana. odyfkuąc baę danych walcowych skrętowych sprężyn usunęto elementy ne występuące ora dodano ctery nowe sprężyny powalaące apełnć komórk ne maące rowąań. W celu naleena rowąań dla pustych komórek operaąc sę o dane lteraturowe ałożono obl dop. Dęk powyżsemu postępowanu otrymano rowąana dla każde komórek. W prypadku nektórych elementów typoseregu występowało klkanaśce możlwych rowąań, co powalało na dalsą elmnacę sprężyn. Ostatecne, pry predstawone procedure budowy algorytmu, ego ograncenach pry dopuscalnym błęde momentu Δ/±1% w dolnym położenu skrydła bramy, otrymano 16 sprężyn prawych 18 sprężyn lewych. Wynk poddano waldac w celu sprawdena wartośc błędu, ak równeż poprawnośc dałana algorytmu dla losowo wybranych punktów każde komórk typoseregu. Algorytm sprawdaący ostał amplementowany w programe Excel połącony wyścowym plkem Fortran-a. Program sprawdał wartośc błędów momentów ora stywnośc. Oblcena sprawdaące potwerdły poprawność ałożeń, a otrymane wynk w pełn spełnały wymagana. Podaną metodę budowy typoseregów bram espolonych układam sprężyn odcążaących należy unać a w pełn poprawną. łędy momentów Δ/ w dolnym położenu bramy są mnese od dopuscalnych. Stosunkowo duże wartośc odchyłek Δm/m ne akłócaą prawdłowego funkconowana bramy, gdyż spełnaą warunek normalacyny maksymalne sły statycne, aką pownen pryłożyć użytkownk w celu many położena bramy. Na podstawe otrymanych danych ora wynków preprowadono analę rocnego kostu układów odcążaących, który wykaał dwunasto-procentowy wrost całkowte ceny układów odcążaących. Duża różnca kostów skłonła autorów do dalsych prac nad proektowanem typoseregów układów odcążaących segmentowych bram garażowych. 4. NOWE PODEJŚCIE DO PROJEKTOWANIA TYPOSZEREGÓW W węksośc prypadków proektowana typoseregów dąży sę do ścsłe typac ednostek konstrukcynych o stywno ustalonym agęscenu cłonów typoseregu (Cap, 28). W stopnowanu typoseregu bere sę pod uwagę wele kryterów. Zagęscane typoseregów umożlwa lepse aspokoene potreb rynku pry ednocesnym węksenu różnorodnośc produktów. Cęsto wymagana konstrukcyne lub produkcyne welkośc part narucaą potrebę kompromsów stopnowana (Pahl et, 1984). Ustalene optymalnego agęscena typoseregu est adanem, które należy rowąywać tylko pry całoścowym ropatrywanu systemu rynek-konstrukca-produkcabyt, w nasym prypadku produkca-apotrebowane. Poneważ agęscene optymalne można uyskać tylko w wynku koordynac wymenonych aspektów agadnena, ne awse est celowe ustalene ednakowego predału mędy cłonam typoseregu. Cęsto e wględu na krytera techncne ekonomcne korystne est akres wsystkch welkośc podelć na różnące sę mędy sobą predały. Casam, e wględów ekonomcnych, uednolca sę pewne akresy cęścowe, a tym samym ch stopnowane realue ednolte stopnowane w całym akrese (typosereg podobne połowcne). Autory podęl próbę opracowana nowego podeśca do agadnena budowy typoseregu w oparcu o analę statystycną. Perwse dee (rysunek 6 a) polegały na budowe typoseregu, którego komórk rochodą sę od globalnego maksmum lcby bram we wsystkch kerunkach. Podeśce take nastręca trudnośc w opse poscególnych elementów typoseregu. Ne uwględna sę pry tym welu lokalnych maksmów, dla których komórk pownny sę mnesać. Z tych wględów anechano dalsych prac nad tym podeścem. W dalsych pracach nad rowoem metod budowy typoseregów powąano klasycne podeśce oparte na podobeństwe geometrycnoarytmetycnym wspomnaną asadą herarch ważnośc m węksa lcba bram na powerchn,, tym mnese romary komórk,. Podstawowy obsar typoseregu podelono na podkomórk (rysunek 6 b) o stałym pryrośce 2mm, Δ12mm. Każda podkomórka ma prypsaną lcbę A,k stuk występuących w danym obsare. Tak podelony obsar est baą do budowy typoseregu mesanego. Zgodne typoseregem geometrycno-arytmetycnym określono maksymalny pryrost serokośc komórk główne typoseregu, która wynos 1 mm cyl 5 podkomórek. Pry budowe typoseregu welkość komórk określaą dwa krytera: 36

5 acta mechanca et automatca, vol.3 no.2 (29) kryterum lcby stuk A,k, eśl w edne podkomórce lcba stuk est mnesa nż określona ako krytycna (w nasym prypadku ałożono lcbę 6 stuk) wtedy do te podkomórk dodae sę lcbę elementów będących w następne podkomórce, pry cym maksymalna lcba sumowanych podkomórek wynos 4. Jeśl lcba sumowanych elementów prekrocy wartość ustaloną wówcas końcymy sumowane komórek proektumy układ odcążaący dla danych wymarów. W ten sposób lcba elementów wpływa na serokość komórk typoseregu (mnmalny romar komórk Δ12, 2); kryterum maksymalnego wymaru komórk, eśl nespełnone est perwse kryterum to akłada sę maksymalny dopuscalny romar komórk typoseregu (Δ12; 1). Pry delenu obsaru na komórk typoseregu cęsto ostatne akresy są mnese e wględu na ograncene obsaru do adanych perwotne wymarów (rysunek 6 b). mo to w komórkach tych układ est doberany, a ne proektowany (proektowane układu odcążaącego następue tylko pry prekrocenu adane lcby elementów). mesane metode proektowana typoseregu obnżyła sę w stosunku do klasycne metody proektowana typoseregu. 5. PODSUOWANIE Na podstawe preprowadone analy statystycne budowano dwa typosereg układów odcążaących powalaące apełnć 98% apotrebowana rocnego bram. Określono, ż w celu doboru sprężyn marodaną dla każde komórk est średna stywność. Dęk ałożenom predstawonym w pracy powstała perwotna baa danych sprężyn powalaąca na dalse abeg prowadące do nacnego ograncena różnorodnośc produktu. Zaproponowano nowe podeśce do proektowana typoseregu powalaące uyskać podwóne koryśc: wynkaące budowy typoseregu ora wynkaące optymalac układu w komórkach gde występuą nawękse lcby stuk. LITERATURA Rys. 6. Nowe podeśca do proektowana typoseregów: a) kerunk rokładu komórek w typoseregu opartym na rokłade statystycnym, w którym werchołek typoseregu pokrywa sę maksymalną lcbą elementów; b) prykładowy typosereg mesany Tab. 1. Anala kostów pry różnych metodach proektowana Anala kostów sprężyn pry różnych metodach budowy typoseregu Typ proektowana ad ad ndvduum unversum mesany Cena sprężyn Kosty osobowe 2 pracownków produkc 45 Kosty osobowe proektantów logstów SUA [ł] Pry predstawonym podeścu wymary welkośc komórek są w pryblżenu (e wględu na podał obsaru typoseregu na skońconą lcbę podkomórek) odwrotne proporconalne do lcby produkowanych bram. aleą błędy funkc odcążena od ob. Wprawde neco wrosła lcba sprężyn prawych ( 16 do 24) lewych ( 18 do 26) układów odcążaących bram, lec menły sę kosty wytwarana sprężyn. W tabel 1 predstawono rocne estawene kostów pry standardowym proektowanu ora układe mesanym. Powyżsa anala est słusna pry ałożenu, ż kosty wytwórce są stałe ora cena 1kg sprężyny wynos 5,8ł. Jednostkowa cena układu odcążaącego bramy pry 1. ranowsk (1997), Sprężyny metalowe, PWN, Warsawa. 2. ranowsk., Głowala S. (27), Kombnatoryka w proektowanu typoseregów garażowych bram segmentowych o małe lcbe różnorodnośc odcążaących elementów sprężystych, Proekt badawcy dla frmy KRISPOL Sp. o.o., Psary ałe. 3. Cap J. (28), Rodny konstrukc sprężyn w układach odcążaących segmentowe bramy garażowe (waldaca algorytmów oblcenowych, opracowane systemu oceny wyboru odcążaącego układu sprężyn), Praca magsterska pod ker.. ranowskego, Poltechnka Ponańska. 4. essner., Wanke K. (1988), andbuch Federn. erechnung und Gestaltung m achnen- und Gerätebau, VE, erln. 5. Pahl G., et W. (1984), Nauka konstruowana, WNT, Warsawa. 6. Norma PN-EN 1264:22: ramy. Aspekty mechancne. NEW ETOD OF CONSTRUCTION FAILIES UILDING (SPRING RELIEF SYSTES OF GARAGE GATES) Abstract: The followng work presents the method of management of varants n the process of products development through dentfcaton of the causes of dversty and applcaton of the correct varantng prncples. The analyss of product processes has been appled that allows for buldng the famly of parts (sprngs) ordered n parametered catalogues. Ths work analyses the most commonly appled relef structure of bendng cylnder screw sprngs made of wre wth crcle-secton wth ntal tenson of cols. The statstcal analyss, as well as the seres of types of garage gates bult accordng to the prncples known allowed for the further development of the new approach to desgnng the mxed seres of types. Praca naukowa fnansowana e środków na naukę w latach ako proekt badawcy nr N N