KATEDRA KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ

VÝZKUMNÁ ZPRÁVA

NÁVRH TECHNOLOGIE PRO POHONNÉ JEDNOTKY SPECIÁLNÍCH ŘETĚZOVÝCH DOPRAVNÍKŮ

Autor: doc. Ing. Jaroslav Krátký, Ph.D. Ing. Eva Krónerová, Ph.D.

Číslo projektu: 01-UK126-KKS-2010

Číslo výsledku: KKS-VZ-09-10

Odpovědný pracovník: doc. Ing. Jaroslav Krátký, Ph.D.

Vedoucí katedry: doc. Ing. Václava Lašová, Ph.D.

Děkan: doc. Ing. Jiří Staněk, CSc.

PLZEŇ, ŘÍJEN 2010

VÝZKUMNÁ ZPRÁVA Návrh technologie pro pohonné jednotky speciálních řetězových dopravníků KKS-VZ-09-10

2

Název výsledku anglicky:

Design technology for driving unit special chain conveyer

Název výsledku česky:

Návrh technologie pro pohonné jednotky speciálních řetězových dopravníků

Anotace k výsledku anglicky:

The content of the designed technology of the special chain conveyers driving unit is a proposal of a new geometry teeth driving unit (profile, material, heat treatment, surface finish, processing) and a proposal of the material and its heat treatment guides for keeping the chain conveyor. The proposed solution provides significantly lower power effects between the teeth driving unit and chain drive units and the higher life of the whole equipment. The proposed solution is in production and, if successful will be used in operation.

Anotace k výsledku česky:

Obsahem navržené technologie pohonné jednotky speciálních řetězových dopravníků je návrh nové geometrie zubů hnací jednotky (návrh jejich tvaru, materiálu, tepelného zpracování, povrchových úprav a výroby) a návrh materiálu a jeho tepelného zpracování vodících lišt pro vedení řetězového dopravníku. Navrhované řešení zaručuje podstatně nižší silové účinky mezi zuby hnací jednotky a řetězem a tím vyšší životnost celého zařízení. Navržené řešení je ve výrobě a v případě úspěšného odzkoušení bude použito v provozu.

Klíčová slova anglicky:

Driving unit, transporting, profile tooth, heat treatment

Klíčová slova česky:

Pohonná jednotka, dopravování, tvar zubu, tepelné zpracování

Interní identifikační kód výsledku přidělený tvůrcem:

KKS-VZ-09-10

VÝZKUMNÁ ZPRÁVA Návrh technologie pro pohonné jednotky speciálních řetězových dopravníků KKS-VZ-09-10

3

Popis vytvářené technologie

Závěsný dopravník svařovaných rámů automobilových sedaček Firma VIZA Auto vyrábí rámy do autosedaček různých typů automobilů. Rámy autosedaček jsou dopravovány mezi jednotlivými pracovišti speciálními vysutými dopravníky. Dopravník se skládá ze speciálního řetězu, na kterém jsou zavěšeny rozpracované rámy autosedaček. Speciální řetěz umožňuje změnu směru pohybu jak v horizontálním, tak ve vertikálním směru. Posunová síla je odvozena od pohonné a tažné jednotky a na speciální řetěz působí přes zuby tažné jednoty. V záběru jsou vždy 2 – 3 dvojice zubů, které působí na pouzdra speciálního řetězu. Speciální řetěz je veden přes kladky (tvoří je 4 kuličková ložiska pro vertikální směr a 2 ložiska pro boční vedení. Dopravník je dlouhý ~ 200 m a prochází pecí, ve které je 180 °C. Doba, ve které je při této teplotě je 30 minut. Závady:

- trvalé opotřebení zubů působící na pouzdra speciálního řetězu - porušení povrchové vrstvy kladkové dráhy

Po několika týdnech provozu jsou, jak je z obrázků zřejmé trvalé deformace tažných zubů a vodící dráhy pod kladkami řetězu. Požadované technické parametry

- dodržet současné vnější rozměry dopravníku. Přiložen výkres hnacího prvku.

VÝZKUMNÁ ZPRÁVA Návrh technologie pro pohonné jednotky speciálních řetězových dopravníků KKS-VZ-09-10

4

Současný stav - foto (zub, trať)

VÝZKUMNÁ ZPRÁVA Návrh technologie pro pohonné jednotky speciálních řetězových dopravníků KKS-VZ-09-10

5

Úkol:

- zjistit příčinu opotřebení řetězu - navrhnout takové řešení, aby k tomuto opotřebení nedocházelo

Dopravník svařovaných rámů se skládá z:

- pohonné jednotky, tj. motor P = 3 kW při 1400 ot/min a řetězového převodu - tažné jednotky, kterou tvoří řetězové kolo poháněné z pohonné jednotky a řetěz, na kterém

jsou připevněny zuby - speciálního řetězu, na kterém jsou zavěšeny „věšáky“ se svařovanými rámy autosedaček

Parametry řetězového dopravníku:

- pohonný motor P = 3 kW při n = 1400 ot/min - rychlost posuvu v = 3 m/min - celková délka dopravníku ~ 200 m - zatížení na jeden článek speciálního řetězu, tj. tíha od hmotnosti jednoho věšáku se

svařovanými rámy Fv1 = 1500 N - maximální počet věšáků k = 90 - počet zabírajících párů zubů z = 2

Pohled na řetěz dopravníku

VÝZKUMNÁ ZPRÁVA Návrh technologie pro pohonné jednotky speciálních řetězových dopravníků KKS-VZ-09-10

6

Určení zatížení zubu hnací jednotky – předběžný (zjednodušený) výpočet Celková maximální posouvaná hmotnost (tíha od hmotnosti):

Fm = k . Fv1 = 90 . 1500 =135000 N Celková síla pro posuv max. zatížení:

Fpos = fv . Fm = 0,05. 135000 = 6750 N Vzhledem k odporům při změně směru bude uvažována síla Fpos = 10000 N Potřebný výkon motoru:

Budeme-li uvažovat celkovou účinnost 50%, je potřebný výkon motoru ≈ 1 kW

Pohled na pojezdové kladky řetězu

Zatížení na jeden zub. Předpoklad – v „záběru“ jsou vždy pouze dvě dvojice zubů. Uvažuji proto, že na jeden zub působí ve směru posuvu čtvrtina posunové síly.

Rozklad sil mezi zubem a pouzdrem

Fz1p

FN1

FR

FR

VÝZKUMNÁ ZPRÁVA Návrh technologie pro pohonné jednotky speciálních řetězových dopravníků KKS-VZ-09-10

7

Normálová síla působící v uvažovaném bodě (odhad – normálová síla působí pod úhlem 45°):

Zatížení mezi kladkou a vedením:

Hertzův tlak mezi zubem a kladkou: pH = 1944 MPa Hertzův tlak mezi kladkou a vedením: pH = 732 MPa Pevnostní hodnoty materiálu zubu: obr. 6 Naměřené hodnoty tvrdosti: Bod 1 - v místě rádiusu 120 – 140 HB 450 – 500 Rm

Bod 2 - pod rádiusem 150 HB 530 Rm Bod 3 - zadní plocha 140 HB 530 Rm Bod 4 - zadní plocha 235 – 270 HB 850 - 950 Rm Bod 5 - v blízkosti svaru 180 HB 640 Rm

4

1

2

5

3

VÝZKUMNÁ ZPRÁVA Návrh technologie pro pohonné jednotky speciálních řetězových dopravníků KKS-VZ-09-10

8

Závěr předběžného (zjednodušeného) výpočtu:

- pasivní odpory, posunová síla je odhadnuta - působiště síly 45° – je odhadnuté, ve skutečnosti může být úhel větší a normálová složka

podstatně větší - pevnost materiálu zubu v místě styku je (pravděpodobně technologií výroby) nejmenší - hodnota Hertzova tlaku v místě dotyku vyžaduje tvrzené stykové plochy

Podrobnější analýza

a) určení posuvové síly Velikost na zub hnací jednotky určíme z točivého momentu posunového motoru, resp. z odebraného proudu elektromotoru při posuvu dopravníku. Odečten byl odebíraný proud I = 2,4 A, třífázový proud, napětí U = 220 V Výkon motoru

√ √

Řetězový převod na hnací jednotku

Rychlost posuvu dopravníku

Otáčky řetězového kola hnací jednotky

Otáčky motoru

Točivý moment na motoru

Točivý moment na řetězovém kole hnací jednotky

VÝZKUMNÁ ZPRÁVA Návrh technologie pro pohonné jednotky speciálních řetězových dopravníků KKS-VZ-09-10

9

Posunová síla (síla na dvojici zubů)

Rozteč řetězu u dopravníku tř = 400 mm

Rozteč zubů na hnací jednotce:

Hnací jednotka se skládá ze dvou řetězových kol o roztečných průměrech d2= 203 mm.

Vzdálenost řetězových kol je a = 1285 mm.

Počet zubů pro posuv dopravníku je zp =8.

Délka řetězu je

Rozteč zubů pro posuv dopravníku je

Rozteč řetězu dopravníku a rozteč zubů se liší prakticky o 1 mm. Z toho je zřejmé, že se zatížení nerozloží na více zubů a celé zatížení ponese pouze jedna dvojice zubů za předpokladu, že nosné boky obou zubů budou vyrobeny společně po přivaření na nosný článek. Zatížení jednoho zubu bude Fz1 = 9000 N, což je 3,6 x větší zatížení než bylo uvažované jednoduchou úvahou!!!

VÝZKUMNÁ ZPRÁVA Návrh technologie pro pohonné jednotky speciálních řetězových dopravníků KKS-VZ-09-10

10

Záběr zubu stávajících rozměrů, tj. délka 45mm (50mm)

Obr. 7

VÝZKUMNÁ ZPRÁVA Návrh technologie pro pohonné jednotky speciálních řetězových dopravníků KKS-VZ-09-10

11

Závislost normálové síly na poloze záběru zubu s pouzdrem řetězu při síle ve směru posuvu Fp = 9000 N. Jedná se o zatížení jednoho zubu.

úhel záběru [N]

normálná síla [N]

svislá složka [N]

0 9 000 0

5 9 034 787

10 9 139 1 587

15 9 317 2 412

20 9 578 3 276

25 9 930 4 197

30 10 392 5 196

35 10 987 6 302

40 11 749 7 552

45 12 728 9 000

50 14 002 10 726

55 15 691 12 853

60 18 000 15 588

65 21 296 19 301

70 26 314 24 727

75 34 773 33 588

80 51 829 51 042

85 103 263 102 870

90 1,47E+20 1,47E+20

VÝZKUMNÁ ZPRÁVA Návrh technologie pro pohonné jednotky speciálních řetězových dopravníků KKS-VZ-09-10

12

Upravený tvar zubu pro snížení úhlu dotyku na začátku záběru

Bod dotyku v ustálené poloze:

VÝZKUMNÁ ZPRÁVA Návrh technologie pro pohonné jednotky speciálních řetězových dopravníků KKS-VZ-09-10

13

Závěr k předcházejícím úvahám

1) Posuvová síla Fp = 18000 N je určena z odebíraného proudu elektromotoru a je proto nutno ji brát jako skutečnost, plynoucí ze současného provozního stavu dopravníku.

2) Protože rozteč zubů na řetězovém kole se liší o ≈ 1 mm od rozteče speciálního řetězu

dopravníku, je nutno uvažovat, že celé zatížení od posuvové síly přenáší jen jeden pár zubů.

3) Uhel dotykového bodu zubu s pouzdrem řetězu dopravníku u stávajícího profilu zubu pohybuje v rozsahu 22o – 79o . Délka zubu nemá praktický vliv na polohu dotykového bodu.

4) Velikost normálové složky sily mezi zubem a pouzdrem a svislé složky síly mezi vnějším

kroužkem ložiska a vodící drahou vyvozuje takové kontaktní napětí, že vyžaduje aby pevnost materiálu zubu a pevnost materiálu vodící lišty byla ≈ 900 MPa a povrch zubu a vodící lišty povrchově kalit ≈ 55 HRC do hloubky minimálně 1 mm.

5) Vzhledem k tomu, že rozteč zubů na řetězovém kole se liší o ≈ 1 mm od rozteče speciálního

řetězu dopravníku, nemůže prodloužení řetězu od ohřátí průchodem pece (jedná se o prodložení o 0,7mm) ovlivnit počet nosných zubů v záběru.

Doporučení

1) Zjistit, jestli nedochází v některé části řetězové dráhy vlivem montážních nepřesností ke sevření specálního řetězu a tím k velkému nárustu síly potřebné pro posuv dopravovaných částí.

2) Upravit tvar nosného zubu tak, aby se snížil úhel dotyku zubu s pouzdrem na začátku a

konci záběru (viz. upravený tvar zubu).

3) Zuby vyrobit z materiálu o pevnosti ≈ 900 MPa a povrch zubu povrchově kalit ≈ 55 HRC do hloubky minimálně 1 mm.

4) Vodící lištu pod hnací jednotkou vyrobit z materiálu o pevnosti ≈ 900 MPa a povrchově

kalit ≈ 55 HRC do hloubky minimálně 1 mm.

5) Použitím tvaru zubu dle upraveného návrhu se sníží zatížení na začátku a konci záběru přibližně na poloviční hodnotu (viz. tabulka sil pro úhly dotyku 80o a 70o)

6) Po přivaření dvojice zubů na nosnou část společně přebrousit dotykovou část povrchu

zubů. Maximální úběr materiálu při broušení musí být 0.25mm, jinak by došlo k odebrání tvrzené vrstvy.

Uživatel technologie

Navržená technologie je využívána a uplatněna u firmy VIZA AUTO CZ, s.r.o.. Odkaz: www.kks.zcu.cz/vyzkum-vyvoj-KKS/RIV

VÝZKUMNÁ ZPRÁVA Návrh technologie pro pohonné jednotky speciálních řetězových dopravníků KKS-VZ-09-10

14

Přílohy

1. Potvrzení o ověření technologie

2. Předávací protokol

3. Objednávka 007 - 100001