Prace Naukowe Katedry Budowy Maszyn
2010
Marcin WAGNER Katedra Budowy Maszyn, Politechnika Śląska w Gliwicach
KONSTRUKCJA ZDERZAKA "ASPE MW" DLA OBRABIARKI STEROWANEJ NUMERYCZNIE
Streszczenie: Artykuł jest prezentacją wyników prac, jakie zostały wykonane w ramach pracy inżynierskiej. Zostało zaproponowanych kilka koncepcji zderzaków. Następnie, po wzięciu pod uwagę założeń konstrukcyjnych, w procesie wyboru konstrukcji optymalnej wybrano i zaprojektowano nowatorski projekt zderzaka dla obrabiarki sterowanej numerycznie, który został nazwany „ASPE MW”. Dokonano również analizy literaturowej dotyczącej aktualnie stosowanych zderzaków w budowie maszyn oraz budowy i parametrów układu napędowego, którym był silnik liniowy.
1.
PRZEDMOWA Artykuł ten jest prezentacją pracy wykonanej w ramach projektu inżynierskiego
realizowanego w roku akademickim 2010/2011 na Katedrze Budowy Maszyn wydziału Mechaniczny Technologiczny Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Niniejsza forma prezentacji jest skróconą wersją całej pracy. Projekt był tworzony pod opieką merytoryczną promotora dr inż. Janusza Śliwki oraz kierownika katedry prof. dr hab. inż. Jana Kosmola. 2.
WPROWADZENIE W dzisiejszych czasach obserwujemy bardzo duży postęp technologiczny maszyn
i urządzeń dla przemysłu. Na przykładzie obrabiarek skrawających można zaobserwować ich ewolucję od prostych maszyn jednozadaniowych do nowoczesnych obrabiarek sterowanych numerycznie (CNC). Oprócz części zasadniczych obrabiarek, takich jak korpusy, wrzeciona czy układy pomiarowe, rozwój musi również nastąpić w ich podrzędnych, ale jakże ważnych podzespołach. Podzespołem takim mogą być na przykład stosowane w nich zderzaki. Gwałtowny wzrost liczby różnych typów obrabiarek CNC wraz z ich podzespołami, spowodował również wzrost zainteresowania bezpieczeństwem pracy na takich maszynach.
M.Wagner Dlatego aktualnie do użytku zostają wcielane różne prawa, zasady jak również wiele nowych konstrukcji zabezpieczających pracowników wykonujących zadania na danej obrabiarce. Chcąc zaprojektować nową konstrukcję zderzaka suportu obrabiarki, trzeba wziąć pod uwagę rodzaj i parametry układu napędowego (silnika), którego działanie miałoby zostać zatrzymane (wyhamowane). 3.
CEL PRACY Celem niniejszego projektu było opracowanie koncepcji zderzaka dla suportu
obrabiarki, którą jest frezarka pionowa napędzana synchronicznym silnikiem liniowym. Termin „zderzak” w literaturze polskiej jest używany dla dwóch, nieco różniących się od siebie znaczeń. Pierwszą spotykaną definicją jest: „urządzenie pochłaniające energię uderzenia”. Natomiast drugą spotykaną definicją (nawet w książkach tego samego wydawnictwa) czytamy: „zderzak – element ograniczający ruch jakiegoś zespołu maszyny, przyrządu itp., lub też zmieniający prędkość albo kierunek tego ruchu.” Jak widzimy, podane wyżej definicje nie są zgodne ze sobą w 100%. Definicja pierwsza mówi, że zderzak zarówno pochłania energię uderzenia, jak i stanowi ogranicznik ruchu, natomiast według drugiej definicji zderzakowi przypisana jest wyłącznie funkcja ograniczania ruchu jakiegoś innego zespołu maszyny czy elementu. W niniejszej pracy postawiono mi za zadanie skonstruowanie zderzaka suportu frezarki a więc urządzenia, które w przypadku niezatrzymania się suportu tejże obrabiarki w wyznaczonym miejscu, zatrzyma go poprzez pochłonięcie energii z uderzenia. Na potrzeby niniejszego projektu pozwoliłem sobie na nadanie nazwy dla tej koncepcji zderzaka.
Nazwą tą jest skrót „ASPE MW”, pochodzący od
słów:
„Awaryjny System Pochłaniania Energii” oraz moich inicjałów. Chcąc zaprojektować nową konstrukcję zderzaka, trzeba przede wszystkim wziąć pod uwagę rodzaj i parametry układu napędowego (silnika), którego działanie miałoby zostać zatrzymane (wyhamowane). W przypadku tego projektu układem napędowym jest silnik liniowy którego przyśpieszenie może wynosić nawet do 50m/s2. Dodatkowo zostały określone konkretne założenia jakie miałaby spełniać dana konstrukcja, a mianowicie: •
konstrukcja zderzaka powinna przewidywać zamocowanie go poprzez otwory wykonane w bocznej ścianie gotowego już łoża obrabiarki,
•
szerokość urządzenia nie powinna przekraczać szerokości łoża frezarki, gdyż zmniejszyłoby to miejsce do swobodnej pracy przy obsłudze maszyny,
•
wielkości gabarytowe zderzaka nie powinny zmniejszać długości obszaru roboczego maszyny, która jest równa długości łoża frezarki.
Konstrukcja zderzaka "ASPE MW" dla obrabiarki sterowanej numerycznie. Następną czynnością, którą należy wykonać, jest przeanalizowanie aktualnie już stosowanych zderzaków w dzisiejszej budowie maszyn. W wyniku tej analizy wynika, iż obecnie stosuje się zderzaki różnego typu i różnej konstrukcji w zależności od wymagań, jakie stawiamy danemu urządzeniu oraz fakt, iż aktualnie istnieje 5 najważniejszych typów zderzaków:
4.
•
zderzaki sprężynowe,
•
zderzaki hydrauliczne,
•
zderzaki z elementami gumowymi,
•
zderzaki elastomerowe,
•
oraz jeden z najgłośniejszych wynalazków - zderzak pana Lucjana Łągiewki.
KONCEPCJE KONSTRUKCJI ZDERZAKÓW Analizując problem opracowania koncepcji urządzenia pochłaniającego energię,
zacząłem od podstawowych odkształceń, jakie znamy z działu wytrzymałości materiałów. Wyróżniamy tam różne typy odkształceń, takie jak: rozciąganie, ściskanie, ścinanie, skręcanie oraz zginanie. Zestawiając planowane działanie zderzaka, polegające na wyhamowaniu suportu frezarki, z tematyką wytrzymałość materiałów, postanowiłem przeanalizować trzy rodzaje odkształceń, w wyniku czego utworzyłem trzy koncepcje zderzaka pochłaniającego energię uderzenia. 4.1
Koncepcja nr 1 Koncepcja nr 1 opiera się na zjawisku ścinania. Działanie tej koncepcji zaczerpnąłem
z konstrukcji i zasady działania sprzęgła przeciążeniowego, zwanego często sprzęgłem bezpieczeństwa. W sprzęgle tym, pomiędzy dwoma głównymi częściami, znajduje się „kołek bezpieczeństwa”, czyli sworzeń, który zostaje ścięty, gdy przeciążenia pochodzące od strony maszyny roboczej są większe od dopuszczalnych. Na jego podstawie opracowałem koncepcję zderzaka do frezarki napędzanej silnikiem liniowym, który składałby się z 3 zasadniczych części : •
gumowy element zwany „odbijakiem” (7),
•
kołki bezpieczeństwa (2),
•
odkształcalny płaskownik (4).
Zderzak ten pracowałby aż w 3 etapach: •
ETAP 1 - wyhamowanie uderzeń z małą prędkością, jak również zredukowanie hałasu dzięki zastosowaniu odbijaka.
M.Wagner •
ETAP 2 - wyhamowanie zasadnicze, czyli wytracenie większości energii uderzenia poprzez ścięcie kołków bezpieczeństwa.
•
ETAP 3 - wyhamowanie pomocnicze (dodatkowe), dzięki zastosowaniu odkształcalnego płaskownika, który wygina się, (sprężyście, a następnie plastycznie) wytracając resztę energii kinetycznej suportu.
Ponadto, inne elementy zderzaka to: •
belka główna (1),
•
piony (elementy mocujące) (3),
•
elementy zakrywające (5,6).
Rys. 1. - Szkic poglądowy koncepcji nr 1 4.2
Koncepcja nr 2 Pomysł tej koncepcji opiera się na idei strefy kontrolowanego zgniotu. Elementem
pochłaniającym energię uderzenia w tym przypadku są tulejki, które zostają ściśnięte aż do granicy plastyczności, przez co przejmują energię uderzenia suportu. Konstrukcja taka składałby się z 2 zasadniczych części : •
zgniatany podzespół (1) - może nim być na przykład zestaw tulejek,
Konstrukcja zderzaka "ASPE MW" dla obrabiarki sterowanej numerycznie. •
pionowa ścianka (2) – płyta, na której zamocowany byłby zestaw elementów zgniatanych.
Rysunek 2 - Szkic poglądowy koncepcji nr 2 4.3
Koncepcja nr 3 Trzecią propozycją jest projekt oparty na koncepcji wytracania energii poprzez
zginanie. Konstrukcja taka składałby się z 3 zasadniczych części: •
zginana belka (1),
•
czopy (2),
•
podstawy (3).
Podczas uderzenia suportu w belkę tego zderzaka, belka odkształciła by się sprężyście a następnie plastycznie, pochłaniając siłę uderzenia, a tym samym powodując zatrzymanie elementów obrabiarki. Zderzak byłby tak skonstruowany, że belka zbudowana z układu metalowych płaskowników współdziałałaby z czopami osadzonymi na podstawach. Te z kolei przymocowane byłyby do łoża frezarki w taki sposób, aby istniało miejsce na swobodne przemieszczenia końców tejże belki do środka konstrukcji urządzenia.
M.Wagner
Rysunek 3 - Szkic poglądowy koncepcji nr 3 5.
WYBÓR OPTYMALNEJ KONSTRUKCJI Do wyboru optymalnej konstrukcji urządzenia pochłaniającego energię uderzenia
użyto analizy morfologicznej. Jest to metoda kombinatoryczna, łącząca cechy myślenia intuicyjnego z myśleniem analitycznym. Metoda ta została stworzona przez szwajcara Fritza Zwicky’ego (1898-1974). Zgodnie z zasadami, dobrano kryteria pod których kątem były sprawdzane wszystkie 3 koncepcje, a mianowicie: K1 - pewność prawidłowego działania, K2 - pracochłonność napraw powypadkowych zderzaka, K3 - złożoność konstrukcji, K4 - wymiary gabarytowe, K5 - estetyka konstrukcji. Efektem porównania koncepcji przedstawionych zderzaków jest stwierdzenie, iż dla przyjętych kryteriów koncepcja nr 1 jest koncepcją optymalną, to znaczy najlepiej spełniającą przyjęte kryteria. 6.
OBLICZENIA Konstrukcja zderzaka „ASPE MW” zapewnia jego 3-etapowe działanie, którego celem
jest pochłonięcie energii rozpędzonego suportu obrabiarki uderzającego w ten zderzak.
Konstrukcja zderzaka "ASPE MW" dla obrabiarki sterowanej numerycznie. Dlatego maksymalna siła, jaka zostanie wytworzona przy takim zdarzeniu, podzieliła działanie zderzaka na trzy etapy: •
Etap 1 – 0 % (gumowy odbijak zabezpiecza tylko przed uderzeniami z małą siłą)
•
Etap 2 – 67,5 % (ścinane kołki)
•
Etap 3 – 32,5 % (odkształcalny płaskownik)
Po obliczeniu dokładnych wielkości sił, przypadających na poszczególne etapy, przystąpiłem do projektowania wszystkich poszczególnych części zderzaka „ASPE MW”. 6.1
Obliczenia średnic kołków ścinanych Dla dobranego materiału, kształtu i wymiarów przekroju poprzecznego dokonano
obliczeń, bazując na standardowej procedurze obliczeniowej, które oparte są o wytrzymałość materiałów. Ich celem jest wyliczenie minimalnych wymiarów przekroju poprzecznego, jakie są potrzebne, aby dany element wytrzymał dane naprężenia. W tym przypadku jest odwrotnie. Wymiary elementu ścinanego muszą być równe lub mniejsze od wyznaczonej, ponieważ naszym celem jest właśnie jego zniszczenie (ścięcie), a nie jak to bywa zazwyczaj niedopuszczenie do zniszczeń (odkształceń). 6.2
Obliczenia wytrzymałości elementu „pion” na zginanie Dla obliczenia tych elementów przyjęto model fenomenologiczny zgodny z rys. 4.,
gdzie: l - odległość od pierwszej śruby mocującej do górnej powierzchni elementu, Fp – połowa wartości maksymalnej siły wynikającej z uderzenia.
Rysunek 4 - Model fenomenologiczny elementu „pion”
M.Wagner Po obliczaniu strzałki ugięcia (dla pkt B) metodą Clebscha, dla założonych wymiarów i materiału, wyliczona wartość okazała się tak mała, że nie spowoduje żadnych znaczących odkształceń elementu. Nie mogłyby zaszkodzić konstrukcji takiego zderzaka, a także pozwoli na znaczne wydłużenie tego elementu, jeżeli zajdzie taka potrzeba. 6.3
Sprawdzenie założeń dotyczących wymiarów wyginanego płaskownika Do części zderzaka, które zostały już zaprojektowane i sprawdzone (obliczeniowo),
dopasowano wymiary następnej części – „wyginanego płaskownika”. Następnie sprawdzono te założenia. Wyliczona wartość naprężeń zginających w płaskowniku jest większa od wartości granicy plastyczności tego materiału, ale mniejsza od wartości wytrzymałości na rozciąganie, dlatego mamy pewność, że płaskownik odkształci się plastycznie, ale nie ulegnie zniszczeniu. W przypadku, gdy siła uderzenia będzie mniejsza od założonej maksymalnej, płaskownik przejmie energię odkształcając się tylko sprężyście. 6.4
Obliczenia wytrzymałości na rozciąganie śrub mocujących zderzak do łoża obrabiarki Do obliczeń przyjęto najbardziej ekstremalne założenie, które zakłada, że cała siła
pochodząca od uderzenia przejmuje tylko jedna (pierwsza od góry) z trzech śrub mocujących w danym pionie. W obliczeniach przyjęto współczynnik bezpieczeństwa równy górnej granicy stosowanych wartości. Z obliczeń analitycznych, maksymalna wartości siły, jaka może działać na śruby mocujące ten zderzak, wyniosła o wiele mniej niż ta sama siła, odczytywana z normy dotyczącej tych śrub. W przypadku zderzaka „ASPE MW” dla tej frezarki z napędem z silnikiem liniowym, wartość maksymalnej siły, jaka może zadziałać na śruby mocujące (w jednym pionie), jest mniejsza od wartości siły otrzymanej z obliczeń. Widzimy więc, że zastosowane śruby pozostawiają szeroki margines bezpieczeństwa. 7.
ZAPIS KONSTRUKCJI - MODELE CAD Ostateczny wygląd „Awaryjnego Systemu Pochłaniania Energii” możemy zobaczyć
dzięki komputerowym modelom 3D, wykonanym w programie firmy Autodesk – Inventor”.
Konstrukcja zderzaka "ASPE MW" dla obrabiarki sterowanej numerycznie.
Rysunek 5 - Model CAD zderzaka „ASPE MW” – widok z przodu
Rysunek 6 - Model CAD zderzaka „ASPE MW” zamontowanego na łożu frezarki – widok z tyłu
M.Wagner 8.
PODSUMOWANIE I WNIOSKI W wyniku analizy literaturowej zderzaków stosowanych w budowie maszyn wynika,
że aktualnie istnieje 5 typów zderzaków pochłaniających energię uderzenia: •
zderzaki sprężynowe,
•
zderzaki hydrauliczne,
•
zderzaki z elementami gumowymi,
•
zderzaki elastomerowe,
•
oraz inne, np. zderzak pana Lucjana Łągiewki. Biorąc pod uwagę budowę konstrukcji, wymiary gabarytowe oraz działanie wyżej
wymienionych typów zderzaków wywnioskowano, iż najlepszym rozwiązaniem byłoby zastosowanie zderzaka gumowego typu „odbijak”. Ich małe wymiary oraz prostota konstrukcji powodują, iż są optymalnym rozwiązaniem spełniającym założenia konstrukcji dla zderzaka suportu obrabiarki napędzanej silnikiem liniowym. W wyniku tej analizy stwierdzono jednak, że elementy gumowe typu odbijak mogą nie być wystarczające do zatrzymania masy suportu wynoszącej aż 800 kg i rozpędzonej do prędkości 100 m/min. Dlatego skonstruowałem Awaryjny System Pochłaniania Energii w której skład, oprócz ścinanych kołków oraz odkształcanego płaskownika, wchodzą właśnie elementy typu „odbijak”. Moim zdaniem, jest to optymalne rozwiązanie, które łączy elementy aktualnie stosowane w zderzakach maszyn z nową konstrukcją, opartą na również znanym już zjawisku ścinania kołków bezpieczeństwa.
THE CONSTRUCTION OF THE MACHINE TOOL’S CHECK – ‘ASPE MW’ Abstract. The article is a presentation of the results which were made in the engineering work. Several concepts of buffers were proposed. Then, after taking into account design intents and within the process of selecting the optimum design, the innovative project of the numerically-controlled machine’s check was chosen and designed. It was named 'ASPE MW'. I made the analysis of the literature on both checks that are currently used in Mechanical engineering and the structure and parameters of drive train which is linear motor.