Nowoczesna metodyka projektowania na przykładzie bębna sprzęgowego pilarki

Transkrypt

1 technika Nowoczesna metodyka projektowania na przykładzie bębna sprzęgowego pilarki Radosław Patyk, Agnieszka Kułakowska, Marcin Kułakowski Słowa kluczowe: projektowanie, bęben pilarki, optymalizacja topologiczna, analiza numeryczna, MES. Streszczenie najwyższa dozwolona liczba obrotów z łańcuchem W oparciu o nowoczesną metodykę projektowania przeprowadzono tnącymi prowadnicą: min -1 wytrzymałościowe analizy statyczne, analizy odporności na zużycie długość prowadnicy w cm: 35 ciężar w kg: 4,3 zmęczeniowe, analizy modalne, optymalizację topologiczną na stosunek ciężaru do mocy kg/kw: 2,87 przykładzie bębna pilarki. wartość drgań uchwyt przedni/tylny m s -2 : 3,5/3,0 poziom ciśnienia akustycznego db(a): 100,0 poziom mocy akustycznej db(a): 112,0 Na rysunku 1 przedstawiono zdjęcie pilarki MS 181. Wstęp W przemyśle samochodowym nastąpiła wyraźna zmiana w metodach prowadzenia prac konstrukcyjnych, technologicznych i kontroli jakości. Spowodowane jest to rozwojem technologii komputerowych i oprogramowania. Trendem w inżynierii produkcji stała się integracja narzędzi wspomagających współczesnego inżyniera tj. systemów CAD/CAE/CAM/CAQ /CAP oraz inżynierii odwrotnej. Poszczególne systemy łączy model bryłowy części, zespołu lub urządzenia. Mimo dużej liczby dostępnych rozwiązań, na rynku wciąż brakuje rozwiązania dominującego, co może być dowodem na to, że wciąż brakuje optymalnego systemu informatycznego wspomagającego współczesnego inżyniera. Kompleksowe podejście do zagadnień przedstawiono w pracy [1]. W oparciu o nowoczesną metodykę projektowania przeprowadzono wytrzymałościowe analizy statyczne, analizy odporności na zużycie zmęczeniowe, analizy modalne, optymalizację topologiczną na przykładzie bębna pilarki firmy Stihl. Przy ścince drzew, podstawowym ręcznym narzędziem z napędem mechanicznym jest pilarka spalinowa. Współczesne pilarki spalinowe napędzane są jednocylindrowymi, dwusuwowymi silnikami spalinowymi z zapłonem iskrowym, chłodzonymi powietrzem. Są to silniki wysokoobrotowe, dlatego też możliwe jest napędzanie łańcucha bezpośrednio w wału korbowego poprzez sprzęgło odśrodkowe. Najczęściej sprzęgło odśrodkowe włącza napęd łańcucha przy obrotach silnika przekraczających 3000 obr/min. Na rynku liczba firm i modeli pilarek spalinowych jest duża, ceny zakupu są mocno zróżnicowane podobnie jak możliwości eksploatacjyjne urządzeń. Dlatego też wybór najodpowiedniejszego wariantu ze względu na określone kryteria jest trudny. Na przykładzie bębna pilarki MS 181 przedstawiono kompleksową analizę wyników uzyskanych badań.. 1. Budowa pilarki firmy Stihl MS 181 MS 181 jest nowoczesną pilarką łańcuchową o niskim stopniu wibracji do prac wokół domu i w ogrodzie. Pilarka ta charakteryzuje się następującymi parametrami technicznymi: jednocylindrowy silnik dwusuwowy STIHL pojemność skokowa: 31,8 cm 3 średnica cylindra: 38 mm skok tłoka: 28 mm moc wg ISO 7293: 1,5 kw przy min -1 liczba obrotów biegu jałowego: 2800 min -1 Rys. 1. Pilarka firmy Stihl MS 181 [2] Konstrukcję silnika przykładowego modelu pilarki przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Przykładowa budowa silnika pilarki [3] Kanał dopływu świeżego gazu (1) i kanał świeżego czystego powietrza (2) [3]. Na płaszczu tłoka znajduje się mulda sterująca (4), przy pomocy której tłok otwiera i zamyka połączenie między kanałami dopływu czystego powietrza i kanałami napełniania komory spalania powietrza (3). Do sterowania przepływem czystego powietrza nie są wymagane inne podzespoły. System filtrowania powietrza pilarki przedstawiono na rysunku 2. Filtr powietrza wyposażony jest we wstępny separator odciążający. Wystepujący po nim filtr zasadniczy AUTOBUSY 8/

2 Technika wydłuża interwały dzielące czyszczenie [3]. Zassane powietrze poddane jest ruchowi rotacyjnemu, co powoduje że większe i cięższe cząstki zanieczyszczeń (czarne strzałki) zostają odrzucone na zewnątrz. Wstępnie oczyszczone powietrze (szare strzałki) zostaje skierowane wewnątrz przez kanał wstępnej separacji zanieczyszczeń od filtra powietrza. Wstępna separacja zanieczyszczeń odciąża usytuowane dalej elementy filtrujące. spowodowane jest wywieraniem dużego nacisku nosków ogniw prowadzących na boczne powierzchnie zębów koła napędowego. Ślady zużycia nie powinny przekraczać dopuszczalnej granicy (0,5 mm wżeru). Widoczne są wtedy ślady wejścia na bokach zębów. W wymiku tego oba elementy: łańcuch i bęben zużywają się szybciej. Zatem istotne jest kontrolowanie obydwu elementów, żeby docierały się i zużywały równomiernie. Umożliwi to odpowiednie dopasowanie profili płaszczyzn kontaktu na kole napędowym i pile łańcuchowej (łańcuch), a to zapobiegnie niepotrzebnemu zużyciu oraz zerwaniu piły łańcuchowej (łańcucha). Na rysunku 4 przedstawiono zużyty bęben sprzęgłowy pilarki. Rys. 3. System filtrowania [3] Gaźnik pilarki jest typu membranowego. Posiada on częściową dyszę stacjonarną pełnego obciążenia oraz dyszę stacjonarną biegu jałowego. Kołpak regulacyjny zaś ogranicza zakres regulacji położenia głównej śruby regulacyjnej (do około ¾ obrotu). Zapewniony jest wówczas wysoki stopień bezpieczeństwa eksploatacyjnego. Element ten umożliwia zachowanie odpowiedniej wartość emisji spalin. W gaźniku umieszczona jest również pompa przyspiesznika, która zapewnia mozliwość natychmiastowego i spontanicznego przyspieszenie obrotów maksymalnych. Układ zapłonowy pilarki sterowany jest mikroprocesorem. Tłumik wydechu spalin jest jednokomorowy i wyposażony w zależności od wymagań rynkowych w kratkę przeciwiskrową. Sprzęgło posiada trzy bezokładzinowe rozpieracze odśrodkowe. Charakteryzuje się zredukowanym ciężarem, a co za tym idzie mniejszą masą rotacyjną, a więc mniejszymi siłami odśrodkowymi. System antywibracyjny składa się ze specjalnych sprężyn zamocowanych w przednim uchwycie, który prowadzi do zasadniczego obniżenia poziomu wibracji. Maszyna charakteryzuje się wyważoną sztywnością prowadzenia umożliwiającą niemęczącą pracę. 2. Problemy eksploatacyjne Typowymi uszkodzeniami eksploatacyjnymi pilarek są uszkodzenia zespołu tnącego, składającego się z łańcucha tnącego oraz bębna sprzęgłowego. Części te są najbardziej narażone, ponieważ pracują w trudnych i zróżnicowanych warunkach. Długotrwała eksploatacja łańcucha tnącego powoduje uszkodzenia jego podzespołów (ogniw łączących, ogniw prowadzących oraz ogniw tnących). Zużycia można podzielić na eksploatacyjne (powstające wskutek naturalny podczas długiego cyklu pracy), bądź wskutek niewłaściwego użytkowania oraz kontroli zespołu tnącego. Długotrwała eksploatacja bębna powoduje jego zużycie w sposób naturalny (około 10 % przypadków) lub możliwe jest jego uszkodzenie w skutek złej obsługi przez użytkownika (około 90 %). Zużycie następujące w naturalny sposób Rys. 4. Bęben sprzęgłowy pilarki 3. Wytrzymałościowa analiza statyczna W celu poprawnego zaprojektowania części np. bębna sprzęgłowego należy przeprowadzić kilka rodzajów obliczeń. Podstawą są obliczenia statyczne, które dają odpowiedź czy zaprojektowane przekroje przeniosą przewidywane ciążenia występujące w układzie. Odpowiedź negatywna powoduje przeprojektowanie analizowanej części w taki sposób aby spełniała podstawowe warunki wytrzymałościowe tzn. naprężeniowe σ σdop, odkształceniowe, ε ε dop, wyboczeniowe oraz przemieszczeniowe (na maksymalną strzałkę ugięcia)[1, 4 25]. Rys. 5. Model dyskretny bębna pilarki Z definicji podczas statycznych obliczeń wytrzymałościowych układ musi spełnić pierwszą zasadę dynamiki Newtona. Przy tego typu analizach nie bierze się pod uwagę oddziaływania sił bezwładności oraz niemożliwe jest zadanie obciążeń zmiennych w czasie. W ramach statycznych analiz wytrzymałościowych bębna sprzęgłowego pilarki wykonano obliczenia numeryczne z zastosowaniem MES w programie ANSYS/LS-DYNA. Modele dyskretne i warunki brzegowo początkowe przedstawiono na rysunkach 5 i AUTOBUSY 8/2016

3 technika Rys. 6. Model geometryczny z założonymi warunkami brzegowo-początkowymi Model dyskretyzowano tetraedrycznymi elementami skończonymi o liniowej funkcji kształtu. Zawierał węzłów. Po rozwiązaniu dyskretnego równania ruchu metodą całkowania niejawnego uzyskano następujące wyniki. Na rysunku 7 przedstawiono mapy naprężeń zredukowanych. Rys. 8. Mapy przemieszczeń całkowitych bębna pilarki Rys. 7. Mapy naprężeń zredukowanych Na rysunku 8 przedstawiono mapy przemieszczeń całkowitych bębna pilarki. 4. Analiza odporności na zużycie zmęczeniowe Konstrukcje poddane wielokrotnym obciążeniom nieprzekraczającym obciążeń dopuszczalnych mogą ulegać zniszczeniu przejawiającemu się w postaci niespodziewanego pęknięcia, następującego po określonej liczbie zmian obciążenia [1]. Takiego rodzaju wyczerpywanie się nośności materiału obciążonego siłami okresowo zmiennymi nazywa się zmęczeniem materiału. Jedną z charakterystycznych cech pęknięcia zmęczeniowego jest to, że nawet w przypadku metali mających przy obciążeniach statycznych dobre właściwości plastyczne przełom zmęczeniowy nie wykazuje wyraźnej deformacji plastycznej w skali mikroskopowej. Ze względu na rosnącą konkurencyjność w przemyśle mechanicznym, analizy zmęczeniowe są koniecznością. Dzięki poprawnemu oszacowaniu trwałości konstrukcji można zaoszczędzić znaczne koszty związane z remontami, zaplanować przeglądy a przede wszystkim podnieść renomę firmy. Dotychczas trwałość konstrukcji najczęściej określano eksperymentalnie, co wymagało dużego zaangażowania finansowego i czasowego zleceniodawcy. Aktualnie dużą popularność w analizach konstrukcji maszyn zyskują metody komputerowe symulacji zjawisk fizycznych. Takie podejście znacznie skraca czas projektowania oraz zmniejsza koszty produkcji maszyn i urządzeń. Zmęczenie materiałowe uwidacznia trwałość po określonej liczbie pracy (cykli) części, oraz jej uszkodzenia. Na rysunku 9 AUTOBUSY 8/

4 Technika przedstawiono bęben pilarki, dla którego wykonano niezbędne analizy zmęczeniowe oraz przedstawiono krzywą zużycia zmęczeniowego. i postaci drgań. W ramach analizy bębna pilarki Stihl zostały przeprowadzone symulacje częstotliwościowe Wartości wymuszeń oraz miejsce ich przyłożenia jest analogiczne, jak w przypadku analiz MES owych. Przykłady analiz MES znaleźć można w pracach [6 23]. W tabeli 1 przedstawiono sześć pierwszych częstotliwości drgań. Na rysunku 10 przedstawiono postaci drgań wraz z wynikami symulacji dla bębna pilarki Stihl. Tab. 1. Sześć pierwszych częstotliwości drgań własnych Poziom Częstotliwość [Hz] 1547,7 1548,2 1909,4 1909,6 2620,8 4308,5 Rys. 9. Rozkład trwałości bębna oraz krzywa zużycia zmęczeniowego 5. Analiza modalna Obliczenia modalne wykonuje się dla części maszyn, które podczas ich eksploatacji są narażone na drgania tzn. części wirujące oraz cyklicznie obciążanie. Analizy te mają za zadanie po pierwsze wyznaczyć wartości drgań własnych danej części (analizy modalne) i wówczas należy sprawdzić, czy dana część nie pracuje w częstotliwościach rezonansowych. Kolejnym krokiem powinno być wyznaczenie zmiany wartości przemieszczeń, odkaształceń oraz naprężeń pod wływem zmiennej częstotliwości obciążeń eksploatowanej części bądź zespołu części. Analizy przeprowadzono z zastosowaniem MES. W tej metodzie model konstrukcji stanowi układ dyskretny o skończonej liczbie stopni swobody. Wiadomo, że równanie różniczkowe opisujące drgania układu dyskretnego o n stopniach swobody można przedstawić w postaci macierzowej jako [4,5]: M q + C q + K q F t), (1) N N N 1 N N N 1 N N N 1 = ( N 1 gdzie, q jest wektorem stopni swobody układu, F(t) - wektorem sił zewnętrznych, a macierze M, C, K nazywa się odpowiednio macierzą masową (lub bezwładności), tłumienia i sztywności. Ważnym ograniczeniem stosowania analizy modalnej jest te założenie o ograniczonej liczbie stopni swobody badanego układu, z czym wiąże się wymiar macierzy mas, sztywności i tłumienia oraz liczba teoretycznych częstości własnych 330 AUTOBUSY 8/2016 Rys. 10. Wyniki analizy modalnej postać drgań I, II i III 6. Optymalizacja topologiczna Celem optymalizacji topologii jest rozwiązanie w postaci uzyskania najlepszego rozmieszczenia w pewnej przestrzeni materiału przeznaczonego do wykonania danej konstrukcji tak, aby przy zadanych warunkach brzegowych i dla zadanego obciążenia kształt konstrukcji był optymalny. Każda optymalizacja polega na poszukiwaniu maksymalnej bądź minimalnej wartości funkcji, bądź funkcjonału przy

5 technika równoczesnym spełnieniu wszystkich założeń oraz warunków ograniczających. Przeprowadzono analizę topologiczną mającą na celu redukcję masy bębna pilarki Stihl. Wyniki redukcji masy o 20% w trzech rzutach przedstawiono na rysunku 11. Rys. 12. Wyniki analizy topologicznej redukcja masy o 40% Wnioski i podsumowanie W wyniku przeprowadzonych analiz przedstawiono wybrane elementy algorytmu konstruowania części maszyn i urządzeń. Wszystkie przedstawione przykłady rozwiązano z zastosowaniem Metody Elementów Skończonych. Przedstawiono przykłady następujących analiz: optymalizacja topologiczna, statyczne obliczenia wytrzymałościowe, obliczenia odporności na zużycie zmęczeniowe, obliczenia i analizy wpływu drgań własnych na stan konstrukcji mechanicznych. Bęben pilarki wykonany jest z wykorzystaniem odpowiedniej jakości stali charakteryzującej się wysoką twardością i wytrzymałością. Rys. 11. Wyniki analizy topologicznej redukcja masy o 20% Wyniki redukcji masy o 40% w trzech rzutach przedstawiono na rysunku 12. Bibiografia 1. Kukielka L., Patyk R.: Nowoczesna metodyka projektowania części maszyn. W: Ekologiczne aspekty stosowania nowych technologii w transporcie (Ed. Leon Kukiełka), (235), 2012, s Informacja techniczna STIHL, 2007, PILARKA MS 181.PDF 4. Kułakowska A., Patyk R.: Numeryczna analiza drgań układu korbowo-tłokowego, Autobusy - technika, eksploatacja, systemy transportowe nr 5, 2011, s Kułakowska A., Patyk R.: Topologiczna optymalizacja konstrukcji na przykładzie widłaka wału przegubowego, czasopismo Autobusy, ISSN , nr 5, 2012, s Kukielka L., Kulakowska A., Patyk R.: Numerical modeling and simulation of the movable contact tool-worpiece and application in technological processes, Journal of Systemics, Cybernetics and Informatics, Vol. 8/3, pp Kulakowska A., Kukielka L.: Numerical analysis and experimental researches of burnishing rolling process with taking into account deviations in the surface asperities outline after previous treatment. Steel Research International 2008, vol. 2, pp Kulakowska A.: Experimental researches of burnishing rolling process of regular surface asperities prepared in turning process. Steel Research International Special Edition: 14 th International Conference on Metal Forming, pp Kulakowska A., Kukielka L., Kukielka K., Patyk R., Malag L., Bohdal L.: Possibility of Steering of Product Surface Layers Properties in Burnishing Rolling Process. Applied Mechanics and Materials 2014, vol. 474, pp Kulakowska A., Patyk R., Bohdal Ł.: Zastosowanie obróbki nagniataniem w tworzeniu ekologicznego produktu, AUTOBUSY 8/

6 Technika Rocznik Ochrony Środowiska (Annual Set The Environment Protection) 2014, vol. 16, pp Kukielka L., Kukielka K., Kulakowska A., Patyk R., Malag L., Bohdal L.: Incremental Modelling and Numerical Solution of the Contact Problem between Movable Elastic and Elastic/Visco-Plastic Bodies and Application in the Technological Processes. Applied Mechanics and Materials 2014, vol. 474, pp Kukielka K., Kukielka L., Bohdal L., Kulakowska A., Malag L., Patyk R.: 3D Numerical Analysis the State of Elastic/Visco-Plastic Strain in the External Round Thread Rolled on Cold. Applied Mechanics and Materials 2014, vol. 474, pp Kukielka L., Geleta K., Kukielka K.: Modelling of Initial and Boundary Problems with Geometrical and Physical Nonlinearity and its Application in Burnishing Processes. Steel Research International. Special Edition: 14th International Conference Metal Forming, 2012, pp Malag L., Kukielka L., Kukielka K., Kulakowska A., Bohdal L., Patyk R.: Problems Determining of the Mechanical Properties of Metallic Materials from the Tensile Test in the Aspect of Numerical Calculations of the Technological Processes. Applied Mechanics and Materials 2014, vol. 474, pp Patyk R., Kulakowska A., Bohdal L.: Ekologiczne, ekonomiczne i eksploatacyjne aspekty stosowania obróbki nagniataniem, Rocznik Ochrony Środowiska (Annual Set The Environment Protection) 2014, vol. 16, pp Patyk R., Kukielka L., Kukielka K., Kulakowska A., Malag L., Bohdal L.: Numerical Study of the Influence of Surface Regular Asperities Prepared in Previous Treatment by Embossing Process on the Object Surface Layer State after Burnishing. Applied Mechanics and Materials 2014, vol. 474, pp Patyk R.: Theoretical and experimental basis of regular asperities about triangular outline embossing technology, Steel Research International 2010, Vol. 81, Issue 9, WILEY-V CH VERLAG GMBH, pp Patyk R.: New method of technological surface layer shaping of machine parts during duplex burnishing rolling process, Steel Research International, 2012, WILEY-V CH VERLAG GMBH, pp , 19. Patyk R., Kukiełka L.,: Prognozowanie wytrzymałości zmęczeniowej zęba kultywatora z wykorzystaniem metod numerycznych, Inżynieria Rolnicza 2009, Nr 13, s Patyk R., Kukiełka L., Kukiełka K., Kułakowska A., Szczepanik K.: Analiza ubytku właściwości użytkowych noży pielnika aktywnego, Inżynieria Rolnicza 2011, Nr 15, pp Patyk S., Patyk R., Kukiełka L., Kułakowska A.: Eksperymentalne i numeryczne metody określania parametrów siłowych w procesie nagniatania tocznego powierzchni chropowatej, Pomiary Automatyka Kontrola, 2010, Nr 56, pp Patyk R., Kułakowska A., Bohdal Ł.: Ekologiczne, ekonomiczne i eksploatacyjne aspekty stosowania obróbki nagniataniem, Rocznik Ochrona Środowiska (Annual Set The Environment Protection) 2014, vol. 16, issue 1, pp Patyk R.: Numerical and Experimental Researchers of Multiple Burnishing Duplex Type, Steel Research International, 2012, WILEY-V CH VERLAG GMBH, pp Patyk R., Kukielka L., Kukielka K., Kulakowska A., Malag L., Bohdal L.: Numerical Study of the Influence of Surface Regular Asperities Prepared in Previous Treatment by Embossing Process on the Object Surface Layer State after Burnishing, Applied Mechanics and Materials 2014, vol. 474, pp Patyk R., Patyk S., Kukiełka L.: Określanie głównej siły nagniatania chropowatej powierzchni walcowej o regularnym okresowym zarysie nierówności metodami numerycznymi, Mechanik Nr 88, 2015, s Patyk R., Patyk S., Kukiełka L.: Określanie nacisków kontaktowych podczas procesu wygniatania regularnych nierówności na powierzchniach walcowych, Mechanik, Nr 88, 2015, s Patyk R., Kukielka L., Kukielka K., Kulakowska A., Malag L., Bohdal L.: Numerical Study of the Influence of Surface Regular Asperities Prepared in Previous Treatment by Embossing Process on the Object Surface Layer State after Burnishing, Applied Mechanics and Materials 474, 2014, pp Szyc M., Patyk R., Kukiełka L.: Komputerowe modelowanie i symulacja zjawisk fizycznych w procesie kulowania zęba sprężynowego kultywatora, Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering 55 (1), pp Autorzy: Dr inż. Radosław Patyk Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki Technicznej i Wytrzymałościi Materiałów Dr inż. Agnieszka Kułakowska Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki Technicznej i Wytrzymałościi Materiałów Mgr inż. Marcin Kułakowski Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny Modern methodology of designing for example drum clutch chain saw Based on modern design methodology static strength analysis, analysis of resistance to fatigue wear, modal analysis, topological optimization on the example of the cutters cylinder were conducted. Key words: projecting, cutters cylinder, topology optymization, numerical analysis, FEM. 332 AUTOBUSY 8/2016