szög alatt történik. Emelt hőmérsékleten történő alkalmazásnál a teherviselő képességüket csökkenteni szokás. Példaként hozható fel a Grade 80 jelű lánc alapanyag 204°C-ig maximális terheléssel használható, de ezen érték fölött 10%-kal kisebb és minden további kb.
+50°C-os hőmérséklet lépcsőben 5%-kal kisebb terhet emelhetnek, maximum 538°C-ig. A szakirodalomban fellelhetőek speciális, láncokra kifejlesztett anyagvizsgálati eljárások, amelyek segítségével a láncszemek egymáshoz képesti relatív mozgását és a közeg hatását képesek vizsgálni[1][2][3].
Kopás hatásának vizsgálata
A kopás vizsgálata során nem maga a kopás folyamata kerül elemzésre, hanem a folyamat köztes állapotai kerülnek összehasonlításra. Jelen esetben célszerűbb, mivel a koptatás szimulációja rendkívül bonyolult, és időigényes módszert követel meg. A cikkben a hibátlannak feltételezett láncok kapcsolódása és a törés előtti állapotnak feltételezett, kopást szenvedett láncszemek kapcsolódása során ébredő Mises-féle redukált feszültségek kerülnek összehasonlításra [6].
A vizsgálatok végeselem módszeren alapszanak, MSC.Marc&Mentat 2012 végeselem rendszerben kerültek elvégzésre. A geometria bonyolultsága miatt Solid Edge ST1 CAD [4], [5] rendszerben került megrajzolásra a láncszem, és MSC.Patran 2012 rendszerben került behálózásra. A vizsgált láncszem geometriája látható az ábrán.
2. ábra
Hibátlan láncszemek peremfeltételei
A hálózás során az érintkezési tartomány, az ún. kontakt zóna sűrű, felületi végeselem hálót kapott, majd ebből kiinduló, egyre durvuló
A feladat során TET4 (4
csomópontú tetraéder elemek) elemek kerültek alkalmazásra. Az ábrán láthatóak a peremfeltételek. A láncszemek szimmetrikus testek, így szimmetria feltételek alkalmazásával a teljes láncszem mindössze 1/8-át elegendő használni, ennek következtésben sokkal több elem alkalmazható, ami megnöveli a számítás pontosságát. A szimmetria feltételek a modell esetén a globális koordináta rendszer (megegyezik a modell koordináta rendszerrel) megfelelő irányaiba történő csomóponti elmozdulás meggátlása.
2. ábra Terhelés feltételezése
A 15 MPa-os terhelés, felületen megoszló nyomásterhelésként került definiálásra, amely terhelés megfelel kb. 135 kg-os emelendő tömegnek. A terhelés 50 időlépésben került megadásra, így minden időlépésben 0,3 MPa-lal nő a terhelés. Az ábra jelölése szerint F=1300N, míg a láncágakban ennek fele, T=650N erő ébred. Hibátlan modell esetén kb. 8000 elem került alkalmazásra mindkét lánctag esetén, míg a törés előtti állapot lánctagjai kb. 18000 végeselemből épülnek fel.
2. ábra
Hibátlan láncszemek peremfeltételei
Az alkalmazott anyagtörvény lineárisan rugalmas viselkedésűnek tételezi fel a láncszemeket, így eltekintünk a képlékeny alakváltozás hatásaitól. A láncszemek így, E=200GPa rugalmassági modulussal és ν=0,3 Poisson-tényezővel rendelkeznek. A két kapcsolódó láncszem kontakttestként került figyelembe vételre, közöttük az ún. touching (érintkezés) kontaktfeltétel lett beállítva, és az ún. segment-to-segment megadással van beállítva [9], ez a módszer növeli a kontaktfeladat megoldásának pontosságát, és a különféle fokszámú elemek esetén is finomabb kontaktfeszültséget számol. A súrlódás µ=0,1 súrlódási tényezővel van leírva. A súrlódási modell Coulomb-féle leírás módot követi.
2. ábra
Törés előtti láncszemek, mint kontakttestek
A számítás eredményét hibátlan esetben az ábra mutatja. Jól látható módon a Hertz-féle elméletnek megfelelően alakul ki a
2. ábra Ébredő feszültség
A két láncszemben az érintkezési ponttól távolodva azonos mértékben csökken a feszültség, ezt a diagram mutatja.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
0 1 2 3 4 5 6
Mises-félre redukált feszültség [MPa]
Távolság az érintkezési ponttól[mm]
Lánc 2.
Lánc 1.
2. ábra
Ébredő feszültség csökkenése a keresztmetszet mentén
Az összehasonlítás eredménye az ábrán látható. A kék görbével jelzett értékekről leolvasható, hogy a láncszem átmérője kb. 1/3-ad részére csökkent. Az ébredő feszültségek nem valósak ebben az esetben, ez az anyagtörvényből származik, a valóságban ekkor már bekövetkezik a törés.
0 5000 10000 15000 20000 25000
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Mises-féle radukált feszültség [MPa]
Kontakt ponttól mért távolság [mm]
Törés előtti állapot Hibátlan lánc
2. ábra
Ébredő feszültségek összehasonlítása
Repedések hatásának vizsgálata
A másik vizsgált károsodás a láncágban feltételezett repedés. A számítások során ebben az esetben is lineárisan rugalmas anyagtörvényt alkalmaztam. A modellépítés során azt tételeztem fel, hogy a láncszem szárában tiszta húzás lép fel. A láncszár felénél keresztirányban 3 különböző méretű repedést tételeztem fel. Az így kialakított modellek esetén is a 15 MPa-os felületi nyomás lett megadva, mint terhelés. A terhelés hatására a repedés frontján értelmezhető J -integrált számítottam át könnyebben értelmezhető feszültség intenzitás tényezővé, aminek segítségével meg lehet állapítani, hogy adott repedés megindul-e vagy sem. A feszültség intenzitási tényező próbatesteken és a valós szerkezeteken is azonos, így jobban használható a mérnöki gyakorlatban. Az MSC.Marc&Mentat az alábbi egyenletet oldja meg a [8], [9] :
(1)
Amelyből az alábbi összefüggés alapján számítható át feszültség intenzitási tényezőre:
(2)
Az irodalomban a kritikus feszültség intenzitási tényező érékére KIC=50MPa√m-t írnak. Tehát, amikor a repedés hatására kialakul a láncszemben az ennél nagyobb érték, a láncszem eltörik, bekövetkezik a tönkremenetel. Az eredményeket az ábrán látható diagramban ábrázoltam. A különböző mélységű hibákhoz tartozó értékeket pontokkal ábrázoltam. A pontokra illesztettem egy exponenciális görbét, a görbét leíró egyenletbe visszahelyettesítve, 2,2 mm mélységű hiba esetén törik el a lánc.
y = 16,51e0,508x R² = 0,999
0 10 20 30 40 50 60 70
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Feszültség intenzitási tényező [MPa√m]
Repedés mélysége [mm]
2. ábra
Ébredő feszültségek összehasonlítása
Összefoglalás
Megvizsgáltam a láncok károsodását kopás és repedés szempontjából. A láncszemek vizsgálata jelenleg numerikus úton történik. További számítások végzését tervezem, amelyek a többi károsodási formát érintik, és esetlegesen a különféle szabványos láncokra is kitér. Lehetőség esetén kísérleti vizsgálatokat is érdemes lenne végezni.
Irodalomjegyzék [1] On-line
katalógushttp://www.ccohs.ca/oshanswers/safety_haz/materials_
handling/sling_c.html
[2] On-line lánc karbantartás-
http://kickinteractive.com/dc/units/3_0/inspection.html
[3] On-line katalógus -
http://www.ccohs.ca/oshanswers/safety_haz/materials_handling/s ling_c.html
[4] Szabó Ferenc János, Sarka Ferenc, Tóbis Zsolt: Numerikus analízis, szimuláció, termékminősítés: TÁMOP 4.1.2. 08/1/A 2009 - 0001, G3 - 08 modulelem.
[5] Szabó J. Ferenc, Bihari Zoltán, Sarka Ferenc: Termékek, szerkezetek, gépelemek végeselemesmodellezése és optimálása. Szakmérnöki jegyzet. Készült a Foglalkoztatáspolitikai és Munkaügyi Minisztérium (HEFOP) Humánerőforrás-fejlesztés Operatív Program keretében (elektronikus jegyzet), Miskolci Egyetem, Miskolc, 2006.
[6] Hengerpersely törés vizsgálata végeselem módszerrel - Jálics Károly, Szabó János Ferenc, Igazságügyi mérnökszakértői vélemény, Miskolc Városi Bíróság, 2012
[7] J. R. Rice: A Path Independent Integral and the Approximate Analysis of Strain Concentration by Notches and Cracks, Journal of Applied Mechanics, vol. 35, pp. 379-386, 1968
[8] Blumenauer – Pusch: Műszaki törésmechanika, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1987
[9] MSC.Marc – User’s Guide
Köszönetnyilvánítás
A bemutatott kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.
Forgalomkorlátozó oszlop tervezése
Juhász Ádám
Általános géptervező szakirány Mi a forgalomkorlátozó oszlop?
A forgalomkorlátozó oszlop, vagy forgalomgátló oszlop olyan szerkezet, amely kisforgalmú utak, vagy parkolók forgalmának irányítására szolgál. Kis helyett foglal, zárt állapotában szinte észrevehetetlen, ugyanis a föld alá süllyed, így nem foglal hasznos teret. Ez alkalmassá teszi arra, hogy zsúfolt városrészekben alkalmazzák.
Többféle elven működhet; lehet mechanikus, pneumatikus, vagy hidraulikus működtetésű. Bármelyik típus egyszerűen automatizálható, működése szenzorokkal, villogó fényekkel és hanghatással biztonságosabbá tehető.
Kiemelt fontosságú területek védelme is ellátható ezzel az eszközzel, ugyanis egy jól megtervezett forgalomkorlátozó oszlop akár egy mozgó tankot is képes megállítani. Ehhez körülbelül 10 mm-es palástvastagság is elég lehet. Ezeket általában követségek, bankok, minisztériumok, katonai objektumok közelében alkalmazzák, hiszen a helyszín összképét nem rontja.
1. ábra
Forgalomkorlátozó oszlop
Mechanikus forgalomkorlátozó oszlop
A dolgozatom első felében létező megoldások után kutattam, majd megoldásvázlatokat készítettem, végül értékelemzést készítettem.
Ennek eredménye egy csavarorsó-anya kapcsolattal működő forgalomkorlátozó oszlop lett. Ennek vázlata a 2. ábrán látható.
2. ábra
Elölnézet (zárt és nyitott) és felülnézet
Az 1-es számmal jelzett oszlop a 2-es számú anyához van rögzítve.
A 3-as számmal jelölt orsó forgatásával az anya és az oszlop a kívánt fel-le mozgást képes elvégezni. Ahhoz, hogy az orsó kihajlása a lehető legkisebb legyen a 4-es számmal jelzett - földbe süllyesztett házban - még egy belső hasított cső (5) is helyet kap. Ez az elem a palástján négy irányban van végigvágva, hogy az anyát és az oszlopot összekötő elem (6) szabadon mozoghasson, de ne foroghasson. Ennek a csőnek a tetején van egy fedél (7), ami úgy van kialakítva, hogy az orsó felső végén lévő csapot megtámassza. Ez a befogási mód akadályozza meg az orsó nagymértékű kihajlását. Az orsó alsó végét a 9-es számmal jelölt axiális csapágy tartja.
Konstrukciós tervezés
A tervezés kiinduló adatának azt választom, hogy a szerkezet képes legyen felemelni egy autót, körülbelül 1800 kg-ot, ha az éppen fölötte állna meg. Ahogy azt a 3. ábra mutatja.
3. ábra
Így:
A továbbiakban az orsót kihajlásra méretezem, és meghatározom a menet méreteit, majd a minimálisan szükséges anyamagasságot számolom ki. Ezek után a kapcsolatot önzárásra vizsgálom, ellenőrzöm az anya és az orsó terhelhetőségét menettő hajlításra, valamint összetett igénybevételre.
Az így meghatározott adatok alapján a csavarorsót mozgatni képes elektromotort választok, valamint az orsó megtámasztására axiális csapágyat keresek.
Ahhoz, hogy az általam tervezett oszlop felemelhessen egy autót az összekötő rúdnak is elég erősnek kell lennie. Ezt tiszta hajlításra méretezem.
Az oszlop gyakrabban kap oldalirányú terhelést, mikor a kiengedett oszlopnak hajt egy autó. Ennek az energiának a nagy részét az oszlop veszi fel. A piackutatás alapján egy 6 mm falvastagságú oszlop már sikerrel állít meg egy normál méretű mozgó személyautót.
Előnyei és hátrányai
A megoldásnak van néhány előnyös tulajdonsága.
- Az előállítása olcsó, forgácsolással megmunkálható.
- Egyszerű trapézmenetes orsó és anya használata
- Mindennapos mechanikus megoldás. Üzemeltetése és karbantartása nem igényel magas végzettséget.
Hátrányos tulajdonságaihoz tartoznak az alábbi pontok:
- Nehezen meghajtható. Ha a motor és az orsó egy tengelyen van, az építési ároknak kell mélynek lennie, emellett a motorhoz nehéz hozzáférni. Ékszíjhajtással, vagy fogaskerékkel ez kiküszöbölhető, de így is az ékszíj, vagy a fogaskerék lenne a legmélyebben, amik a legtöbb karbantartást igénylik.
- A nagy súrlódó felületek miatt nagyteljesítményű motor kell.
- Az orsónak folyamatos kenésre van szüksége.
Vizsgálat végeselemes programmal
A számítások ellenőrzésére és az alkatrészekben keletkező
feszültségek vizuális megjelenítésére a legfontosabb elemek terhelés alatti viselkedését végeselemes szoftverrel vizsgálom.
Elsőként az orsó kihajlását vizsgálom meg.
4. ábra
Peremfeltételek az orsó vázlatán
Az „A”, „C” és „D” betűvel jelzett felületek meg vannak fogva, nem mozdulhatnak el. Ez alól a felső „C”-vel jelölt megfogási pont kivétel, mert ott csak a radiális irányú mozgás van lekötve.
A terhelést és irányát a „B” betű és nyíl jelzi. Nagysága 18000 N.
5. ábra Kihajlás
A szimuláció eredménye azt mutatja, hogy az orsó névleges átmérőjével helyettesített rúd kihajlása 1,14 mm. Tönkremeneteléig 294000 N-t képes felvenni. Ez tízszerese a számoltnak, de az biztonsági tényezőt tartalmaz.
A következő vizsgálat a menetek terhelhetősége.
6. ábra
Peremfeltételek az orsó és az anya vázlatán
A modell megfogása csak két pontból áll. Az „A”-val jelölt hely a fix megfogást, a „B”*vel jelölt hely a terhelést jelöli. A terhelés itt is
18000 N.
7. ábra
Keletkező feszültségek
A 7. ábrán látható az anyáról az orsóra átadódó terhelés iránya.
Körülbelül az anya felénél a narancssárga, sárga területeket követve kezd el nőni a feszültség az orsóban. Ezeken a területeken nagyjából 20 MPa keletkezik.
Fejlesztési lehetőség
A mechanikus megoldás sok hátránya miatt fejlesztési lehetőséget is vázolok. Az új forgalomkorlátozó oszlop mechanikus elemekből épül fel.
8. ábra
Elölnézet (zárt és nyitott)
A 8. ábrán látható egyszerűsített vázlaton jól látszik, hogy a hidraulikus elemekből felépülő forgalomkorlátozó oszlop jóval kevesebb fő elemből áll, mint a mechanikus elven működő társa.
Működése egyszerű, az 1-es számú oszlop a 2-es számú házban függőlegesen mozog. Az elmozdítást a 3-as számmal jelzett teleszkóphenger végzi. A nagynyomású folyadék csővezetékeken érkezik, amik a henger palástján látható foglalatba csatlakoznak.
Konstrukciós tervezés
A két külön elven működő forgalomkorlátozó oszlopnak ugyanazt a tömeget kell tudnia felemelni, így az összehasonlítás egyszerűbb és pontosabb. Tehát:
Ezek után a munkahenger kiválasztása erőkifejtésre méretezés alapján történik, majd ellenőrzöm kihajlásra. a teleszkóphenger kiválasztása után meghatározom a szükséges térfogatáramot, kiválasztom az olajat és meghatározom a csővezeték miatt keletkező nyomásveszteséget.
A kompenzált nyomás alapján szivattyút és hozzá elektromotort választok.
Előnyei és hátrányai
Előnyei közé tartozik, hogy:
- Kevesebb elemből áll.
- Jobb a hatásfoka.
- Gyorsabb.
- A motor a teleszkóphengertől távolra is elhelyezhető.
Hátrányai a hidraulika alkalmazásának hátrányaival megegyezik, azaz:
- Drága. Mind az üzemeltetése, mind a legyártása.
- Az üzemeltetés és karbantartás szaktudást igényel, akárki nem végezheti el.
- Az olaj veszélyes a környezetre. Kijutását meg kell akadályozni, cseréje esetén speciálisan kell kezelni.
Hidraulikus kör és az elhelyezés
Mint említettem a motor és a szivattyú a hengertől távolabbra is elhelyezhető. Általában egy különálló szekrényben kap helyet minden a meghajtáshoz szükséges egység. Ez az alábbi ábrán látható.
9. ábra Példa az elhelyezésre
Ezzel az elrendezéssel minden alkatrészhez könnyen hozzá lehet férni, illetéktelenektől el lehet zárni. Az Urbaco cég által megvalósított egység a 10. ábrán tekinthető meg.
10. ábra Irányító egység
Az irányításhoz szükséges továbbá egy hidraulikus kör. Én az alábbi egyszerű kört használom.
11. ábra Hidraulikus kör
A kör a következőképpen működik. A tartályból a motor hajtotta szivattyú szívja ki az olajat és pumpálja a munkahenger felé. Ahhoz, hogy az olaj a megfelelő kamrába jusson előbb egy útváltó szelepen halad át. Ez szükségtelenné teszi azt is, hogy a motornak forgásirányt kelljen váltani, ha a munkahengert zárni kell. Az útváltó másik vége visszavezeti az olajat a tartájba. Ha valamilyen okból túl nagy nyomás keletkezne a rendszerben, a nyomáshatároló szelep megakadályozza az elemek károsodását.
Irodalomjegyzék
[1] Dr. Szente József – Bihari Zoltán: Számítógépes terméktervezés.
Szakmérnöki jegyzet. Készült „A felsőoktatási szerkezeti és tartalmi fejlesztése” CAD/CAM/FEM kompetencia kurzusok projekt keretében. 2006. p. 193
[2] Szente József, Bihari Zoltán: Gépelemek, alkatrészek számítógépes tervezése – Terméktervezés, Miskolc: HEFOP, 2005. 150 p
[3] …http://www.ultrasafe.co.in/image2/h_16.jpg
[4] http://architectures.danlockton.co.uk/2006/12/06/bollardian-nightmare/
[5] http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/technical-station-retractable-bollard-38879-2525793.jpg
[6] Bercsey, T. – Döbröczöni, Á. – Dubcsák, A. – Horák, P. – Kamondi, L. – Péter, J. – Kelemen, G. – Tóth, S.:
Terméktervezés- és fejlesztés. 1997. Jegyzet a Phare HU 9305 – 01/1350/E1 program támogatásával, pp: 1/262.
[7] Döbröczöni Ádám: Gépelemek I. Egyetemi tankönyv.
Fejezetszerkesztő, 6. fejezet Mezőgazda Kiadó, 2007. Szerk.:
Szendrő Péter. P. 749
[8] Urbaco katalógus: Automata süllyedő forgalomkorlátozó oszlop, 2012
[9] Szabó Ferenc János, Sarka Ferenc, Tóbis Zsolt: Numerikus Analízis, szimuláció, termékminősítés: TÁMOP 4.1.2. 08/1/A 2009 – 0001, G3 – 08 modulelem.
Köszönetnyilvánítás
A bemutatott kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.