Miskolci Egyeem és CASAR Drahseilwerk Saar GmbH GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR TÖBBTÁRCSÁS SÚRLÓDÓ HAJTÁS ERŐJÁTÉKÁNAK ELEMZŐ VIZSGÁLATA A TÁRCSAKOPÁSOK FIGYELEMBEVÉTELÉVEL PH.D ÉRTEKEZÉS KÉSZÍTETTE: Malik András Okleveles gépészmérnök SÁLYI ISTVÁN GÉPÉSZETI TUDOMÁNYOK DOKTORI ISKOLA, GÉPEK ÉS SZERKEZETEK TERVEZÉSE TÉMATERÜLET, ANYAGMOZGATÓ GÉPEK TERVEZÉSE TÉMACSOPORT DOKTORI ISKOLA VEZETŐ: Dr. Tisza Miklós egyeemi anár TÉMACSOPORT VEZETŐ: Dr. Döbröczöni Ádám professor emerius TÉMAVEZETŐ: TÁRS TÉMAVEZETŐ: Dr. Némeh János Dr. Szabó Tamás c. egyeemi anár egyeemi docens Miskolc, 215
TARTALOMJEGYZÉK TÉMAVEZETŐK AJÁNLÁSA ALKALMAZOTT JELÖLÉSEK 1. BEVEZETÉS 1 1.1 A MŰSZAKI PROBLÉMA MEGFOGALMAZÁSA 4 1.2 NYITOTT KÉRDÉSEK 5 2. A TUDOMÁNY ÁLLÁSA 6 2.1. A TÖBBTÁRCSÁS SÚRLÓDÓ HAJTÁSOK ÁLTALÁNOS FELÉPÍTÉSE 6 2.1 VONÓELEM (KÖTÉL) JELLEMZŐK 7 2.1.1. Zárpászmás köelek 8 2.1.2. Speciális forgásmenes köelek 8 2.1.3. Tömöríe pászmás köelek 9 2.1.4. Műanyagbeées köelek 9 2.1.5. Köelek kenése 1 2.1.6. Köelek nyúlása 11 2.1.7. Köelek hajlíási merevsége 13 2.1.8. Többárcsás súrlódó hajásoknál alkalmazo köelek 15 2.2 CSÖRLŐ (TÁROLÓ DOB) ÉS TÁRCSA JELLEMZŐK 15 2.2.1. Csörlő (Tároló dob) 16 2.2.2. Tárcsajellemzők 18 2.3. EULER ÖSSZEFÜGGÉS 21 2.3.1. A köél, min hajlékony vonóelem 21 2.3.2. Vonaás 23 2.3.3. Dob-, vagy árcsa-hajás 23 2.3.4. Megcsúszással szembeni bizonság 26 2.3.5. Nagyobb eljesímény elérése: m növelése alámesze U, vagy V horony alkalmazásával 28 2.3.6. Nagyobb eljesímény elérése: A árcsa körülfogási szögének növelése 33 2.3.7. Az Euler összefüggés elhanyagolásai 34 2.4 TÖBBTÁRCSÁS KÖTÉLHAJTÁSOK 35 2.4.1. Maximálisan áviheő kerülei erő: 3 hajóárcsás rendszer eseén 37 2.4.2. Maximálisan áviheő kerülei erő 39 2.5. A VONATKOZÓ KUTATÁSI IRODALMAK ÉS KUTATÁSI ELŐZMÉNYEK FELDOLGOZÁSA 43 2.5.1. A jelenlegi kuaáson korábban dolgozók munkájának összefoglalása 43 2.6. A KUTATÁS KEZDETE ÉS CÉLKITŰZÉS 46 2.7. ÖSSZEFOGLALÁS 47 3. TÖBBTÁRCSÁS SÚRLÓDÓ HAJTÁSOK MODELLEZÉSÉRE ALKALMAS VIZSGÁLÓ BERENDEZÉS TOVÁBBFEJLESZTÉSE 49 3.1. PARAMÉTEREK BEMUTATÁSA 49 3.2. A MÉRÉSI ELV FELÜLVIZSGÁLATA 5 3.3. A 7 TÁRCSÁS VIZSGÁLÓ BERENDEZÉS TOVÁBBFEJLESZTÉSE 53 3.3.1. A módosío 7 árcsás vizsgáló berendezés specifikációja 56 3.4. A MÉRÉSI FOLYAMAT PONTOS LEÍRÁSA 59 3.5. A MÉRÉSI FOLYAMAT ÉS A MÉRŐRENDSZER HITELESÍTÉSE 61 IV VI i
3.6. ÖSSZEFOGLALÁS 65 4. AUTOMATIZÁLT KÉPFELDOLGOZÓ PROGRAM BEMUTATÁSA 66 4.1. A MÓDSZEREK ALGORITMUSAI ÉS A KIDOLGOZOTT TESZTPROGRAMOK JELLEMZŐI 66 4.2. AZ OPTIMÁLIS MÓDSZER KIVÁLASZTÁSA 69 4.3. A PROGRAM BEMUTATÁSA 71 4.4. AZ AUTOMATA KÉPFELDOLGOZÓ PROGRAM HITELESÍTÉSE 73 4.5. ÖSSZEFOGLALÁS 76 5. TÖBBTÁRCSÁS SÚRLÓDÓ HAJTÁSOK ERŐJÁTÉKÁNAK ELMÉLETI MODELLEZÉSE ÉS SZIMULÁCIÓJA 77 5.1. A MODELL ELMÉLETI MEGFOGALMAZÁSA 77 5.1.1 Viruális elmozdulás elve és az Updaed Lagrange-féle leírás 78 5.1.2 Az inercia erők figyelembevéele 8 5.1.3 A húzo-nyomo rúdelem származaása 8 5.1.4 Merevségi márix, ömeg márix 81 5.2 AZ ALGORITMUS LEÍRÁSA 84 5.2.1 A mozgásegyenle idő szerini numerikus inegrálása 84 5.2.2 Egyensúlyi ieráció 85 5.2.3 Az algorimus időlépésenkén 86 5.3 A VÉGESELEMES ALGORITMUS KIBŐVÍTÉSE A ÉRINTKEZÉSI (KONTAKT) FELTÉTEL FIGYELEMBEVÉTELÉVEL 9 5.4 A VEM PROGRAM BEMUTATÁSA 91 5.5 A PROGRAM HITELESÍTÉSE 93 5.6 ÖSSZEFOGLALÁS 94 6. AZ ELMÉLETI ÉS A MÉRÉSI EREDMÉNYEK ÖSSZEHASONLÍTÁSA, ÁLTALÁNOSÍTÁS 96 6.1. TRANZIENS JELENSÉGEK 96 6.2. ALAP FUTÁSOK, HITELESÍTÉS 98 6.3. ERŐFELÉPÜLÉS 13 6.3.1. Erőfelépülés: Terelési erhelési állapo 13 6.3.2. Erőfelépülés: Süllyeszés (fékezés) 19 6.3.3. Erőfelépülés: Emelés (hajás) 11 6.4. KILAZULÁS 111 6.4.1. Kilazulás: Terelési erhelési állapo 112 6.4.2. Kilazulás: Süllyeszés (fékezés) 116 6.4.3. Kilazulás: Emelés (hajás) 117 6.5. ERŐFELÉPÜLÉS ÉS KILAZULÁS 119 6.5.1. Erőfelépülés és kilazulás: Terelési erhelési állapo 119 6.5.2. Erőfelépülés és kilazulás: Süllyeszés (fékezés) 129 6.5.3. Erőfelépülés és kilazulás: Emelés (hajás) 132 6.6. KRITIKUS PARAMÉTEREK ÖSSZEGZÉSE 137 6.7. EGY IPARI FELADAT VIZSGÁLATA 143 6.8. ÖSSZEFOGLALÁS: 145 7. ÖSSZEFOGLALÁS 147 7.1. NYITOTT KÉRDÉSEK MEGVÁLASZOLÁSA 147 7.1.1. Kelekezhenek exrém feszülségállapook, illeve úlerők sacionér üzemállapoban? 147 7.1.2. Ha igen, akkor milyen paraméerek befolyásolják a legnagyobb úlerő, illeve a legnagyobb köélerők kialakulásá? 147 7.1.3. Hogyan és milyen módon előzheőek meg a jövőbeni baleseek, illeve a köélerők szemponjából a nem kíván haások? 147 7.2. AZ ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK ÖSSZEFOGLALÁSA 149 7.3. TOVÁBBFEJLESZTÉS LEHETŐSÉGEI 152 ii
7.4. SUMMARY 152 7.5. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS 154 ÁBRAJEGYZÉK 156 TÁBLÁZATOK JEGYZÉKE 162 IRODALOMJEGYZÉK 164 PUBLIKÁCIÓK AZ ÉRTEKEZÉS TÉMÁJÁBAN 167 MELLÉKLET 172 M1. TÖBBTÁRCSÁS SÚRLÓDÓ HAJTÁSOK BEMUTATÁSA 172 M1.1. A sodraokban ébredő csavaró nyomaék részleesebb leírása 172 M1.2. Köelek felhasználása 173 M2. TÖBBTÁRCSÁS SÚRLÓDÓ HAJTÁSOK MODELLEZÉSÉNEK BEMUTATÁSA 174 M2.1. A kivieleze 7 árcsás vizsgáló berendezés ovábbi foói 174 M2.2. A 7 árcsás vizsgáló berendezés specifikációja 174 M2.3. A rugómerevség számíása 176 M2.4. Mérési lap a 7 árcsás vizsgáló berendezéshez 178 M2.5. További hielesíési diagramok 179 M3. AUTOMATIZÁLT KÉPFELDOLGOZÓ PROGRAM BEMUTATÁSA 18 M3.1. Éldeekálásos módszer 18 M3.2. Hasonlóság vizsgála 181 M3.3. Cepsrum eljárás 182 M3.4.További hielesíési diagramok 184 M4. TÖBBTÁRCSÁS SÚRLÓDÓ HAJTÁSOK ERŐJÁTÉKÁNAK ELMÉLETI MODELLEZÉSE ÉS SZIMULÁLÁSA 186 M4.1. A végeselemes diszkreizáció álalános eseben 186 M5. A VÉGESELEMES ÉS A MÉRESI EREDMÉNYEK ÖSSZEHASONLÍTÁSA 187 M5.1.A hielesíési diagrammok paraméeráblázaai 187 M5.2. Erőfelépülés 188 M5.3. Kilazulás 191 M5.4. Erőfelépülés és kilazulás 195 M5.4. További VEM szimulációk: Nem hajo árcsák haása 199 iii
Témavezeők ajánlása Malik András Több árcsás súrlódó hajás erőjáékának elemző vizsgálaa a árcsakopások figyelembe véelével című Ph.D. érekezéséhez Malik András öbb, min 7 éve foglalkozik a öbbárcsás súrlódó hajások vizsgálaával. A éma akualiásá az jellemzi, hogy öbbárcsás súrlódó hajással kombinál csörlők eseén előfordul köélszakadás, aminek okaira nem alálak magyarázao. A éma vizsgálaá a néme Casar köélgyáró cég ámogaa és ké éves öszöndíj ámogaás nyújo a jelölnek, aki nagyon céludaosan evékenykede. Továbbfejleszee a öbbárcsás súrlódó hajás vizsgálaára alkalmasan kifejlesze berendezés, illeve a segíségével mérheő húzóerők különféle paraméerek (árcsakopásokból eredő mérekülönbségek, súrlódási viszonyok sb.) haására meghaározhaó válozásá, a úlerők fellépésének okai. Kidolgozo egy képfeldolgozáson alapuló érékelési módszer, amellyel leheővé vál a köélágakban fellépő húzóerők megbízhaó meghaározása. A mérési eredmények ellenőrzésére kidolgozo egy VEM alapú számíógépes programo, amelynek a segíségével igazolni uda a megállapíásai. Malik András elér eredményei, céludaos és kövekezees hozzáállása, lényegláása, gyakorlai és elmélei felkészülsége alapján alkalmasnak arom ovábbi udományos eredmények elérésére. Miskolc, 215. február 6. Dr. Némeh János c. egyeemi anár iv
Malik András Több árcsás súrlódó hajás erőjáékának elemző vizsgálaa a árcsakopások figyelembe véelével című Ph.D. érekezéséhez Malik András 28 őszi félévében vee fel az álalam aro Nemlineáris rezgések című anárgya. Javaslaomra, ekkor kezde el foglalkozni a öbbárcsás súrlódó hajások végeselem-módszerre alapozo dinamikai modellezésével. A kuaás öbb éven á kiaró szorgalommal végeze. Legalább hei gyakoriságú konzulációk alapján fokozaosan fejleszee ki a húzo-nyomo rúdelemeke alkalmazó nemlineáris végeselemes programjá, amely a Coulomb-féle örvény alkalmazza a árcsa és a köél közöi súrlódás vizsgálaára. A dinamikai program egyik előnye, hogy egyarán alkalmas az álala kísérleileg vizsgál nagy nyúlású rugórendszer valamin a gyakorlaban előforduló relaíve kis nyúlású köelek modellezésére. A Jelöl álal elemze elmélei és gyakorlai feladaok meggyőzően bizonyíják a program haékony gyakorlai alkalmazhaóságá. Malik András kiaró szorgalma és gyakorlaias szemlélee alapján alkalmasnak arom eredményes kuaások folyaására. Miskolc, 215. február 6. Dr. Szabó Tamás egyeemi docens v
Alkalmazo jelölések A dolgozaban KISKAPITÁLIS beűvel szede személynevek a hivakozo kuaóka jelölik. Az irodalmi hivakozások [i]-ben szerepelnek, az Irodalomjegyzék című fejezeben szerző szerini ABC-rendben összefoglal munkáknak megfelelően. A sajá publikációkra örénő ualások [MAi] módon szerepelnek a Publikációk az érekezés émájában című fejezeben a publikáció ípusa szerini időrendi sorrendbe szede cikkek alapján. A nyomao szövegben zárójel, idézőjel, és gondolajel nélkül dőlbeűvel szedve publikációk címei, konferenciák elnevezései, szakmaiudományos szervezeek nevei szerepelnek. α β β lej d Ŝ +D + D ε, ε, Görög beűvel jelöl mennyiségek Tárcsára jellemző áfogási szög Megcsúszással szembeni bizonsági ényező A ds ívhosszhoz arozó lejőszög A variáció jelölése Feszülség vekor a maeriálisan nem lineáris analíziseknél ε Az Almansi alakválozási enzor a + és a időpillanaban a időpillanara vonakozóan ε A Green-Lagrange alakválozási enzor a + és a időpillanaban a időpillanara vonakozóan + D ε A Green-Lagrange alakválozási enzor a + időpillanaban a időpillanabeli konfigurációra vonakozava (pl. felhasználva az elmozdulásoka a ől + időpillanaú konfigurációkon) ε, ε φ dφ Alakválozási növekmény enzor (Green-Lagrange) a és a időpillanaú konfigurációra vonakozava A ds ívelem kezdőponjának pozíciószöge A ds ívhosszhoz arozó elemi áfogási szög µ Súrlódási ényező (apadó) η, η r, r σ σ w y τ, + D Nemlineáris része a ε, és a εfeszülségnövekményeknek A es fajlagos ömege a és + időpillanaú konfigurációkban Feszülségenzor a időpillanaban számol feléeleze infiniezimális (végelenül kicsi) elmozdulásokból σ növekménye Szögsebesség Az áhúzási szám. + D τ Cauchy féle alakválozási enzor a és + időpillanaú konfigurációkban vi
Ñ τ Ωpi Jaumann-féle derivál enzor a időpillanaú konfigurációkban Perdüle enzor a időpillanaú konfigurációkban Lain beűvel jelöl mennyiségek A Kezdei időpillanaban a es felülee B L ; B L ; B L B NL ; B NL BL, B L BL NL, B NL B C C C C C ; C; C, C C, C C, C d D Εˆ + D e, e e Lineáris feszülség-elmozdulás ranszformációs márixok Nemlineáris feszülség-elmozdulás ranszformációs márixok Lineáris alakválozás-elmozdulás márix a időpillanaban a kezdei és pillananyi konfigurációban Lineáris feszülség-elmozdulás márix (kis elmozdulásoka feléelezve) Nemlineáris alakválozás-elmozdulás márix a időpillanaban a kezdei és pillananyi konfigurációban Csillapíási márix inkább D-vel szokák jelölni Feszülség-alakválozás anyag jellemzők márixa (növekményes vagy eljes) Feszülség- és alakválozás anyag ulajdonság márix Az anyagállandó negyedrendű enzora Növekményes feszülség-alakválozás anyag jellemzők márixa (növekményes vagy eljes) Az anyagállandó enzora időpillanaban a kezdei és pillananyi konfigurációban Érinő anyagjellemzők márixa a időpillanaban a kezdei és pillananyi konfigurációban Az érinő anyagállandó enzor komponensei időpillanaban a kezdei és pillananyi konfigurációban Köél ámérő Tárcsaámérő Feszülségvekor a időpillanaban csak a nemlineáris anyag analízisnél A eljes infiniezimális (végelenül kicsi) alakválozási / feszülségenzor a és a + időpillanaoknál Az e növekménye e, e + D A lineáris része a ε, és a ε feszülségnövekményeknek vii
F, F, F F Fker F kon F Csomóponi erővekorok a időpillanaban Csomóponi erővekor a időpillanaban a kezdei elmozdulás haások elhanyagolásával. Csomóponi erők eredővekora megegyezik a csomóponi feszülségekkel a időpillanaban. Kerülei erő Külső koncenrál erő + D Tömegegységre juó fajlagos ehervekor a + időnél és a kezdei f konfigurációnál dg Vonóelemhez arozó súlyerő, amelynek normális komponense dg n és a angenciális komponense dg H ; s H Felüle- és érfoga elmozdulások ranszformációs márixa h K K K L ; K L K NL ; K NL K K K L, K K M M M m köél K L NL, K NL m kiegyenlíő m hasznos dn Végeselemes inerpoláló függvények márixa Időfüggelen lineáris merevségi márix (kis elmozdulásokra) Tangenciális merevségi márix a időpillanaban, amely magába foglalja a lineáris és nem lineáris feszülségi merevségi márixoka Növekményes lineáris merevségi márix Nemlineáris növekményes merevségi márix Lineáris növekményes merevségi márix, a kezdei elmuzdulás haásainak elhanyagolásával. Időfüggelen lineáris rugalmassági, kis elmozdulású merevségi márix Lineáris alakválozási merevség márix a időpillanaban a kezdei és pillananyi konfigurációban Nemlineáris alakválozási merevség márix a időpillanaban a kezdei és pillananyi konfigurációban Tangenciális merevségi márix a időpillanaban Tömegmárix Időfüggelen ömegmárix Nyomaékszükségle A vonóelem, kábel ömege Az ellensúly ömege Hasznos eher ömege A vonóelemre haó normális irányú erő viii
q A ds elemi ívhosszra eső folyóméersúly + D R A külső erők alkalmazo eher vekora + időpillanaban + D R Csomóponi elemek külső ehervekora + D R Külső erők viruális r,s, S S 1 S n+1 S fel S le S k S v S; Elemekhez köö ermészees koordináák Köélerő Az első árcsánál lévő köélerő Az uolsó árcsánál lévő köélerő Felfuó ági köélerő Lefuó ági köélerő Csörlőknél a lecsévélés kezdeekor, az első meneben kialakuló köélerő Csörlőknél a lecsévélés végén az uolsó meneben kialakuló köélerő A II. Piola- Kirchhoff-féle feszülségvekor és márix S, + D S A II. Piola-Kirchoff feszülségenzor a és + időnél a kezdei konfigurációban + D A II. Piola-Kirchoff feszülségenzor a és + időnél a pillananyi S konfigurációban S, S S, Ŝ ds A II. Piola-Kirchoff feszülségnövekmény a időnél a kezdei és pillananyi konfigurációban II. Piola-Kirchoff feszülségmárix és vekor a idejű konfigurációban a idejű konfigurációra vonakozava Elemi ívhossz T, T+dT A vonóelemre haó angenciális irányú húzóerők T, Tˆ Cauchy féle feszülségmárix és vekor a időpillanaban, + D A és + időpon a növekmény elő és uán + D ; ; c + D f A időpillanaban a felüle egységre és a ömeg egységre definiál felülei és esi erhelés vekorok Cauchy-féle feszülségvekor és márix + D Felüleegységre juó köveő erhelési vekor komponens a + időnél a kezdei konfigurációban u, u BNL + D u Elmozdulásvekorok a és a + időpillanaban Növekményes elmozdulások vekora a időpillanaban u Csomóponi elmozdulás növekmény a -ől a + időponig, úgy min. u = ix
u + u - u Csomóponi elemek növekményes elmozdulás vekora az u k j ból előállíva + D u Csomóponi elmozdulásvekor a + időpillanaban a + u k j -ból összegezve + D && u Csomóponi gyorsulásvekor + D +D && u, u& Csomóponi sebesség és gyorsulásvekorok a + időpillanaban u, u k u + D u Elmozdulásvekorok, ól -ig és ól + ig Az elmuzdulásnövekmény, a -ól + ig és a -ól -ig elmozdulások különbsége A k-adik csomópon elmozdulása a időpillanaban. k u A u k -hoz arozó növekmény u, + D u u, u, V, V, x, x, k x, x k, x, x Az elmozdulásnövekmény deriváljai a és + időpillanaokig a koordináarendszerben u + D Elmozdulásnövekmények deriváljai az x, x és x kordináarendszerre + D V A es érfogaa a, és + időpillanaban + D x Derékszögű koordináarendszerben koordináák a, és + időpillanaban x + D k Derékszögű koordináarendszerben a k csomópon koordináái a, és + időpillanaban Koordináaderiválak a és időpillanaban a és koordrendszerben x x
Bevezeés 1. Bevezeés A öbbárcsás súrlódó hajásoka napjainkban széles körben alkalmazzák. Az univerzális felhasználhaóságuk abban rejlik, hogy a vonóelemmel áviheő kerülei erő jelenősen megnövelheő, mer az áviheő kerülei erő arányos a árcsák számával, amelyek a rendszer megcsúszás elleni bizonságá is adják. A súrlódó hajásoka sok eseben csörlő- és dobrendszerekkel együ használják, amelyeken a vonóeleme (köél) árolják. Az 1.1. ábrán láhaó egy álalános öbbárcsás súrlódó hajás CAD modellje. 1.1. ábra. Többárcsás súrlódó hajás bemuaó CAD modell A csörlőke álalában függőleges alernáló mozgaásra használják, de lényeges az ismerni, hogy a erhelen le- és felfelé mozgaás milyen arányban oszlik meg. Az emelés (hajás) és süllyeszés (fékezés) aránya alapján három alapese definiálhaó: A rendszer elsődlegesen eheremelésre használják; a rendszer arányaiban egyformán használják eher emelésre és süllyeszésre; a rendszer elsődlegesen eher süllyeszésre használják. A jobb szemléleés érdekében néhány gyakorlai példán kereszül örénik a korábban emlíe három álalános erhelési program bemuaása. Az 1.2. ábrán láhaó Liebherr cég álal gyáro cölöpverő gépnél a erhelés szemponjából a 1%-os emelés a jellemző. A kalapácsfeje minden eseben a orony eejéig emeli a rendszer. Ezuán a kioldás pillanaáól a hajás szabadonfuó 1.2. ábra. A Liebherr álal gyáro cölöpverő gép üzemmódba kapcsol és a nehéz kalapácsfej a graviáció haására felgyorsul, majd a cölöpnek üközik. 1
Bevezeés Egy másik hasonló erhelési viszony definiálhaó a kábel, vagy köélgyárás eseében is. Az 1.3. ábrán láhaó egy nagysebességű sodrógép végén elhelyezkedő súrlódó hajás. A kábel folyamaos nagy feszíés melle húzza a öbbárcsás súrlódó hajás. A kábel kisebb erővel fu fel a csörlős ároló dobra, amely bizosíja a köél megcsúszásmenes hajásához szükséges lefuó ági erő. 1.3. ábra. Egy szabadvezeék-sodró gépnél használ súrlódó hajás, [22] A kövekező álalános erhelési állaponál az emelési és a süllyeszési fázisok a erhelés szemponjából közel egyformának ekinheők. Ilyen rendszerek például a daruk, markológépek, a mélyengeri bányászanál és búvárkodásnál használ plaformelepíő egységek. Egy billenőgémes markológép láhaó az 1.4.a ábrán [22]. Az 1.4.b ábra szemléle egy mélyengeri plaform elepíő hajó, amely darurendszerrel rendelkezik [64]. a. b. 1.4. ábra. Markoló kanállal szerel daru (a.) és egy mélyengeri plaform elepíő hajó (b.) A ké gép annyiban hasonlí egymáshoz, hogy a hasznos eherrel függőlegesen le és fel közel azonos ua esznek meg, így az emelési és a süllyeszési fázisok aránya egyforma. A harmadik bemuao ese a erhelések szemponjából közel 1%-os süllyeszés, amely a kábelfekeő hajókra jellemző. Az 1.5.a, b és c ábrákon láhaó kábelfekeő hajó, amelyen az orrés a farrészeken kialakío köélmegvezeő árcsák jól megfigyelheők. 2
Bevezeés a. b. c. 1.5. ábra. Kábelfekeő hajóknál a jellemző orr és far kialakíások A kábelfekeés vázlaá muaja be az 1.6.a és b ábra. Az S 1 és S 2 a öbbárcsás súrlódó hajás végein lévő le- és felfuó ági köélerőke jelölik, az m köél a kábel súlya, az m kiegyenlíő az ellensúly és az m hasznos a hasznos eher. Az 1.6.b ábrán olyan kábelfekeő hajó láhaó, amely az orr és a far részen is képes a enger fenekére egyszerre öbb kábel is lefekeni. S 1 S 2 S 2 S 1 S 1 S 2 m kiegyenlíő m köél m köél m köél m hasznos m hasznos m hasznos a. b, 1.6. ábra. Kábelfekeés elvi vázlaa: a hajó a farrészen engedi a kábel (a.) a hajó az orr- és a farrészen is képes engedni a kábel (b.) A kábeleke nagy dobokon árolják a hajók belsejében, amelyek az 1.7.a és b ábrák szemlélenek. Az 1.7.a ábrán a hajó meszei képe, az 1.7.b ábrán egy nagy kábelároló láhaó. a, b, 1.7. ábra. Kábelfekeő hajó meszei képe (a,) és a hajó gyomrában lévő kábelárolók egyike. (b,) 3
Bevezeés 1.1 A műszaki probléma megfogalmazása A jelen érekezés alapja, egy a Mexikói-öbölben előfordul balese. Egy kábelfekeő hajó a kábel fekeés közben felborul. Egy ilyen hajó mua az 1.8. ábra. Az előzees vizsgálaok alapján a felborulás a hirelen bekövekeze köélszakadás okoza. Jelenős anyagi kár kelekeze. A köélszakadás okaira a mai napig nem derül fény. 1.8. ábra. Álalános kábelfekeő hajó A hajón az 1.7.b ábrán bemuao kábelárolóka használák. A kábel a árolókról árcsás rendszereken egy öbbárcsás súrlódó hajáson vezeik á. A hullámzás haásá rugós megámaszású csillapíó rendszerek használaával küszöbölik ki. A folyamaos kábelmozgaás közben a vízbe eresze kábel mennyisége és ömege nő, illeve a hasznos eher összömege is nagy. A köél felcsévélésénél, lecsévélésénél, vagy egyszerű árolásnál a ároló doboknál nagy köélerők nem alakulhanak ki. A szerkezei károsodások, szakadások és a megcsúszások elkerülése ill. a konrollálhaóbb süllyeszés és emelés érdekében szükséges a öbbárcsás súrlódó hajások alkalmazása. m kiegyenlíő S 1 S 2 m kiegyenlíő m köél m köél m hasznos m hasznos 1.9. ábra. A kábelfekeés vázlaa (a,) a hajó felborulása a kábelszakadás kövekezében (b,) A problémá az 1.9.a és b ábra alapján részleezzük ovább. Az S 1 és az S n+1 a súrlódó hajási rendszer végein lévő köélerők, amelyek a erheléssel arányosak, az m köél a kábel súlyának ömege, az m kiegyenlíő az ellensúly és az m hasznos a hasznos eher. A balesenél bekövekeze köélszakadás a öbbárcsás súrlódó hajásnál kelekeze. Az érekezés célja, hogy a hajási rendszeren belüli erőjáéko felárja. 4
Bevezeés 1.2 Nyio kérdések A kábelfekeő hajón működee csörlő-rendszerben bekövekeze köélszakadás a hajó felborulásához és elsüllyedéséhez vezee. Felveődö, hogy az ilyen baleseek hogyan előzheőek meg? A kuaásaim során a kövekező kérdésekre próbálam egzak válasz adni: Kelekezhenek exrém feszülségállapook, illeve úlerők sacionér üzemállapoban? Ha igen, akkor milyen paraméerek befolyásolják a legnagyobb úlerő, illeve a legnagyobb köélerők kialakulásá? Hogyan és milyen módon előzheőek meg a jövőbeni baleseek, illeve a köélerők szemponjából a nem kíván haások? A kuaás CASAR Drahseilwerk Saar GmbH Germany, a FUX ZR. és a Miskolci Egyeem ámogaa 5
Többárcsás súrlódó hajások bemuaása 2. A udomány állása 2.1. A öbbárcsás súrlódó hajások álalános felépíése A öbbárcsás súrlódó hajások álalában három fő részből épülnek fel [39]. Az első a vonóelem (köél), a második a csörlő (ároló dob) és a harmadik a öbbárcsás hajási rendszer. Egy álalános rendszer CAD modellje és vázlaa láhaó a 2.1. ábrán. Csörlő, ároló dob Többárcsás súrlódó hajási rendszer A B Vonóelem (köél) S c S c S h S h a, b, 2.1. ábra. Egy álalános felépíésű csörlőrendszerrel ámogao öbbárcsás súrlódó hajás CAD modellje (a,) és a CAD modell alapjá képező kinemaikai vázla (b,) G h A modern vonóelemek feladauka és kialakíásuka ekinve nagyon különbözőek lehenek. A köelek egyik jellemzője, hogy csak axiális irányú húzóerő képesek felvenni. A hajlíási ellenállásuk kicsi és axiális irányú nyomóerő nem udnak felvenni. A csörlő elsődleges feladaa a vonóelem sérülésmenes árolása, amely felcsévéléskor hajo, lecsévéléskor fékeze, hogy a megfelelő felfuó ági erő bizosísa a öbbárcsás súrlódó hajás számára. A 2.1.b ábrán láhaó a csörlő, amely hajással, vagy fékezéssel szabályozza az S c köélerő. A öbbárcsás súrlódó hajás feladaa a megfelelő kerülei erő bizosíása, ovábbíása. A hajás árcsasorai a 2.1.b, ábrán az A és B jelölik. Az alapesenél minden árcsasor hajo. A hasznos eher ömege G h, az ebből származó köélerő S h. A köélszakadás a öbbárcsás súrlódó hajáson belül örén, ezér szükséges az ilyen ípusú köélhajások működésének behaó anulmányozása. A árcsás hajások ké jellemző válozaá a, b, 2.2. ábra. Többárcsás súrlódó hajás árcsasorainak CAD modelljei: hengeres verzió, mar hornyokkal (a,) és árcsás verzió (b,) 6
Többárcsás súrlódó hajások bemuaása muaja be a 2.2.a és b ábra. A 2.2.a ábrán bemuao válozara az jellemző, hogy ké párhuzamos engelyű dobon a köélze megvezeésére alkalmas horonyrendszer képeznek ki. A 2.2.b ábra szerini elrendezésnél ké engelyre rögzíik a árcsáka. A párhuzamos engelyű hajási rendszerek legfonosabb ulajdonsága, hogy szinkronhajás alkalmaznak, vagyis az összes árcsa, illeve dob szögsebessége állandó. Néhány eseben csak az egyik árcsasor hajo, a másik szabadonfuó. A köél hornyokban örénő megvezeése azér fonos, mer így ponosan definiál a fel és lefuási hely. A öbbárcsás rendszerekkel hajják, vagy fékezik a köele, eközben a rendszer ké végén a felfuó és a lefuó ági erö különbözö. Amennyiben azonos, akkor a árcsák erelö funkció lának el. Az emlíe súrlódó hajás segíségével a köélerő a ároló dobnál lecsökkenheő, így a köél károsodása megelőzheő. A fejeze célja, hogy az egyes elemek ulajdonságai és a hozzájuk arozó elméleeke részleezze. 2.1 Vonóelem (köél) jellemzők A különböző szerkezeű köeleke számos erüleen alkalmazzák. A daruk, a lifek, a felvonók, a földmunkagépek, a hajózás és a halásza, a bányásza, a köélpályák, a fakiermelő ipar, az olajipar, a repülőgép ipar sb. erüleein megbízhaó megoldásoka nyújanak. Az első köelek már az ókorban bőrből, hajból illeve növényekből készülek. A legrégebbi illuszrál köele i.e. 9-12-re daálják. Egy Óegyipomi rajzon már papiruszból készül köelek gyárásá is ábrázolák időszámíásunk elő 2-ben (2.3.a ábra) [1]. A középkorban a Rómában alálhaó Szen Péer-éri obeliszk állíásá öbb, min 2 ember végeze köelek segíségével (2.3.b ábra) [2]. A köelek öréneében a legnagyobb válozás az Alber köél megjelenése jelenee. A XIX. századi bányák növekvő mélysége és fokozódó ermelékenysége arra készee Wilhelm Augus Julius Alber bányafőanácsos, hogy a lánco és a kis eherbírású kenderköele valami jobb konsrukcióval válsa ki [2,1]. A láncoka és a kenderköeleke acélköelekkel helyeesíee, amelyek első válozaai sajá kezűleg fona. Az Alber köél szerkezee a 2.3.c ábrán láhaó. a, b, c, 2.3. ábra. Köélgyárás Egyipomban i.e. 2-ben (a,) és a Szen Péer-éren az obeliszk állíása 1586-ban. (b,), Az Alber köél szerkezee: 3x4x3,5mm (c,) Az acélköelek előnyeik mia gyorsan elerjedek. A kézzel sodrás nagyon lassúnak bizonyul, ezér a fonás gépesíeék. A köveelmények fokozaos növekedése a köél szakíóerejének növelésé igényele. Az első lépés a közponi acélszál alkalmazása és a huzalok számának növelése vol. Az első acél közponi szálra csévél pászma a 2.4.a ábrán láhaó [33]. A öbbréegű pászmák segíeek abban, hogy a huzalszámo minél jobban növelni lehessen. Az első ilyen ípusú köél (pászma) az 1x6-os pászma ovábbfejleszése 1x6x12 szerkezeűvé (2.4.b ábra) [8]. A megoldás jónak űn, viszon a pászmában így számos ponszerű huzalérinkezés alakul ki, amely előnyelen. A kövekező lépés a vonalérinkezésű pászmák felé vezee. Az első megvalósíás a San Francisco-i Cable Car-nál 7
Többárcsás súrlódó hajások bemuaása (2.4.c ábra [1]) örén, amelynél a kopásállósági és hajlékonysági kriériumok volak a meghaározóak. Tom Seale oldoa meg a problémá a vonalérinkezésű pászmájával (2.4.d ábra [2]). Továbbfejlesze válozaok a ölőhuzalos pászmák (Filler) és a Warringon-féle huzalelrendezésű köelek (2.4.e ábra [2]), amelyek vonalérinkezésűek. A Warringon és a Seale ípusok előnyei övözék a Warringon-Seale szerkezeek (2.4.f ábra). a, b, c, d, e, f, 2.4. ábra. A 1x6-os acél közponi szálas pászma (a,), a öbbréegű 1x6x12-es pászma (b,), A San Francisco-i Cabla Car (c,), A Seal szerkeze (d,), a Warringon szerkeze (e,) és a Warringon-Seal szerkeze (f,) A fejlődés kövekező szakaszában a nagy szilárdságú huzalok alkalmazása erjed el, amelyek háránya a rossz alakíhaóság, így a ovábbfejleszés a sodrás elői előalakíás vol, amelyre Connor erveze egy új fonófeje a Quill- [1]. Az előformázó fonófej az egyenes huzalszála a kíván végső geomeriának megfelelő hullámhuzallá formáza. Az előalakíással a sodrás vál egyszerűbbé. Az egyszerűbb sodrásnak köszönheően a kopásokkal szembeni nagyobb ellenállás anúsíó hosszsodrású köelek is megjelenek, amelye John Lang dolgozo ki [1]. 2.1.1. Zárpászmás köelek A hosszsodrású köelek megjelenése uán Telfor C. Bachelor alkalmazo először nem kör szelvényű huzaloka. Az ölee alapján megvalósíoa a zár pászmás nem kör szelvényű huzalokból álló külső körpászmá (2.5.a, ábra) [1]. A kuaásai a kör kereszmeszeű huzalokból felépülő pászmákkal folyaa, amely erüleen a lapos-pászmás köelek köheőek Telfor nevéhez (2.5.b, ábra) [16]. a, b, 2.5. ábra. A nem kör szelvényű zár pászma (a,) lapos pászmás köél (b,) 2.1.2. Speciális forgásmenes köelek A forgásmenesség a köelekkel szemben ámaszo egyik fonos köveelmény. Emelés vagy süllyeszés eseén a normál köelekben a sodrásiránnyal ellenéesen nyomaék ébred, és ezér forogni kezdenek. A köelek forgása egyszerű okra vezeheő vissza. Példakén ekinsük a 2.6.a ábrá [63]. Ha ha huzal az ábra alapján engely irányban megerhelünk, akkor minden egyes huzal 8
Többárcsás súrlódó hajások bemuaása axiális irányú ellenerő fej ki. Ha sodrao erhelünk meg az előző módon, akkor a sodra geomeriájából adódóan a sodra ámérőjére nézve angenciális erők is ébrednek (2.6.b ábra) [63, 2]. A köél elkezd középvonalán a sodrásiránnyal szemben forogni. A nyomaék arányos a húzóerővel és a köél ámérővel, amelye a 2.6.c ábra szemléle. Ugyanakkora kerülei erő nagyobb karon nagyobb forgaónyomaéko eredményez. A köél forgásá úgy lehe megakadályozni a legegyszerűbben, ha ellenkező irányú forgaónyomaéko is bizosíunk a köélben. A legegyszerűbben egy belső, ellenées sodrásirányú réeggel lehe elérni (2.8.d és e ábrák) [1]. A csavaró nyomaék kelekezésének részleesebb leírásá az M1.1. mellékleben árgyaljuk, [2, 32]. a, b, c, d, e 2.6. ábra. Egyenes huzalok engelyirányú erhelése (a,), sodro szerkeze engelyirányú erhelése (b,), az ámérő haása a forgaónyomaékra (c,), a forgásmenesség bizosíása ellenirányú sodraokkal (d,e,) 2.1.3. Tömöríe pászmás köelek A ömöríe pászmák alapelve a normál köelekhez képes az ado ámérőn megvalósío nagyobb fémes kereszmesze. A nagyobb fémes kereszmesze nagyobb szakíószilárdságo és élearamo bizosí. Egy egyforma ámérőjű normál és ömöríe pászma láhaó a 2.7.a és b ábrákon [1]. A 2.7. ábrák alapján megállapíhaó, hogy a ömöríe pászma felülee nagyobb, ezér lényegesen nagyobb húzóerők elviselésére alkalmas, ovábbá a köél a horonyban is nagyobb felüleen fekszik fel. Az érinkező felüleek nyomás-igénybevéele kisebb, ezér azok kopása is kisebb. a, b, 2.7. ábra. Normál köélszerkeze és a ömöríe köélszerkeze (a,), A normál és a ömöríe pászma felfekvése (b,) 2.1.4. Műanyagbeées köelek A műanyag beé alkalmazása a köeleknél a legújabb fejleszések eredménye. Egy álalános acélbeées köél és egy műanyagbeées köél láhaó a 2.8.a és b ábrákon [1]. A műanyagbeées köeleknél a pászmák nem érinkeznek, mer a közes ere a műanyag öli ki. A műanyag beé összearja a köélszerkezee, gáolja a belső huzalszakadás, kizárja a nedvessége és a szennyeződés, körülveszi és megőrzi a kenőanyago, sabilizálja a köele szerelésnél, elnyeli a dinamikai energiá, egyenlees járás bizosí és meggáolja a külső pászmák oldalérinkezésé. A műanyago köél alapanyagkén is használják. A iszán műanyagból készül köelek könnyűek, de 9
Többárcsás súrlódó hajások bemuaása hárányuk, hogy a nyúlásuk folyamaos. Az acél köelek nyúlása fokozaosan csökken, ezér az opimális köél anyaga az acél és a műanyag együes használaa. Kenőanyag Műanyag a, b, 2.8. ábra. A pászmák kenőanyagon ülnek (a,) eől jobb megoldás a műanyag beé alkalmazása, ahol a pászmák közöi rés műanyag öli ki (b,) 2.1.5. Köelek kenése A köelek kenése elsődlegesen a konakulajdonságok válozása mia fonos, illeve a köél élearamára van jelenős haással. A konakulajdonságok fonos paraméerek a pászma huzalai közö, a pászma és a köélbeé közö, a pászmák közö. Az egyes kenési ípusok a 2.9. ábrán láhaók [31]. A köélbeé kenés elsődlegesen a köélbeé élearamának növelése érdekében használják. A pászmák közöi kenés az elemi szálak közöi súrlódás csökkeni. A pászmák külső kenése a pászmák közöi kapcsolao, illeve az élearamo javíja. a, b, c, d, 2.9. ábra. Az álalános kenési ípusok: csak a köélbeé van kenve (a,), a köél pászmái belsőleg kenve (b,), a köél pászmái külsőleg kenve (c,), a köél pászmái belsőleg és külsőleg kenve (d,) A kenőanyaggal szemben ámaszo fonosabb köveelmények [32,68,69]: savmenesnek kell lennie, arósan jó adhéziós ulajdonságú legyen, jó kenési és kenheőségi ulajdonságú legyen, akadályozza meg a szerves beé rohadásá, arósan bizosíson önkenés a kopás és a súrlódás csökkenésére, folyamaosan fejsen ki korrózió elleni védőhaás, megfelelő viszkoziással és cseppenés ponal rendelkezzen, a bizonságos üzemelés céljából kellő oxidációs sabiliással és megfelelő hideg örésponal rendelkezzen. A kenőanyagoka felhasználás szemponjából ovábbi négy csoporra oszhajuk: álalános rendeleésű kenőanyagok, különleges rendeleésű kenőanyagok, 1
Többárcsás súrlódó hajások bemuaása uókenés bizosíó kenőanyagok, magas és alacsony hőmérsékleen üzemelő dróköelek kenőanyagai. Az álalános rendeleésű kenőanyagoka elsődlegesen az ipari dróköeleknél alkalmazzák. Ilyen rendszerek például a bányaipari, az épíőipari, a kohászai, a hajózási sb. köelek. Különleges rendeleésű kenőanyagok a kenő és védőhaás kifejése melle speciális köveelményeknek is elege kell enni. Uókenés bizosíó kenőanyagoka o használják, ahol a dróköelek az üzemeleés során az eredei kenőanyag egy részé elveszíik. Ezér a dróköeleke az előírásoknak megfelelően uókenéssel kell kezelni. A kenő és védőhaás kifejése melle speciális köveelményeknek is elege kell enni, amelyek: köélárcsa és dróköél közö megfelelő súrlódás bizosíása, agresszív környezeben való megfelelő védőhaás, nagy hőmérsékleingadozás mellei folyamaos sabiliás. a néme gyármányú: NYROSTEN N-113, ELASKON-II. a magyar gyármányú: NIRAL 59 (cseppenés pon 1-11 C fele). Uókenés bizosíó kenőanyagok: magas lobbanásponú és könnyen párolgó oldószer aralmaznak, néme gyármányú: NYROSTEN N 113 FS és ELASKON RP 75 LM, magyar gyármányú: NIRAL 56. A felsorol ermékek alacsony hőmérsékleen is kiválóan szórhaó levegőmenes (airless), vagy levegőporlaszásos szóró berendezéssel, valamin ecseeléssel is felviheők a köél felüleére. Magas hőmérsékleen üzemelő dróköelek kenőanyagai: OCG 1 kenőanyag: a rendkívül magas üzemi körülmények közö működő, elsősorban kohászai köelek kenésére javasol. 2.1.6. Köelek nyúlása Az acél sodronyköelek felépíéséből adódik, hogy az elemi szálól egészen a pászmáig spirálisan formálak. Húzóerhelés haására és annak nagysága függvényében ezér az acélól elérő nyúlási görbével jellemezheők [19]. Az 2.1. ábra mua egy-egy példá a nyúlási görbékre egészen az acélól a köélig. Az acél nyúlási görbéjé ismerjük. Ehhez képes már a dró is kialakíásából adódóan hossz irányban jóval nagyobb nyúlásra képes. 2.1 ábra. Az acél, a dró, a pászma és a köél jellegzees nyúlási görbéi 11
Többárcsás súrlódó hajások bemuaása A húzóerhelés haására és annak nagysága függvényében három különböző módon kövekezhe be a köelek erhelés alai nyúlása [21]: Kezdei szerkezei nyúlás (kezdei vagy állandó szerkezei nyúlás) Rugalmas nyúlás Állandó, maradó nyúlás Egy új köél első erhelésénél a nyúlás az elemi szálak igazodása, és érinkezési felüleeik nyomás alai kialakulása okozza. Ez a szakasz nem aralmaz rugalmas alakválozás illeve ez egy maradó megnyúlás. A köeleke sokszor már gyáráskor előerhelik, hogy ez a szakasz áugorják, mer ez a nyúlás ámérőcsökkenés is okoz, amely felhasználás szemponjából nem kedvező. Első lépéskén a köele lassan megerhelik a névleges szakíó szilárdságának 1%-kával [2,1,38]. Az ehhez arozó megnyúlás méréké rögzíik. Ezuán lecsökkenik a köélerhelés az eredei befogási köélerőre, majd feszíés-elengedés ciklusokban ízszer minimum a névleges szakíószilárdság 5%-áig erhelik. A 1 ciklusnál nem rögzíik az adaoka, mer ez a köél bejáraására szolgál. Ekkor formálódik a köél a végleges alakjára és ekkor alakulnak ki a végleges érinkezési felüleek. Az uolsó szakaszban ismé 1%-os névleges erhelés alkalmaznak, amelynek eredményé a már a bekövekeze maradó nyúlással lehe jellemezni. Az első fázis köveően, a köél olyan módon nyúlik, amely hozzáveőlegesen megfelel a Hookeörvénynek (a feszülség arányos az alakválozással), amíg a rugalmassági haár el nem érjük. Fonos megjegyezni, hogy a dró köelek nem rendelkeznek Young-féle rugalmassági modulussal, de egy "lászólagos" modulus lehe definiálni ké fix erhelés közöi irányangenssel. A rugalmassági modulus a görbe ké ponja közöi irányangens muaja meg. A rugalmassági modulus válozik a különböző konsrukciójú köeleknél, de álalában nő a fémes kereszmeszeel arányosan [2]. A magasabb fémes kereszmeszeű szerkezeek ezér alacsonyabb megnyúlás produkálnak. Az acélköelek maradó nem rugalmas nyúlásá az egyes elemi szálak folyáshaáron úli erhelése okozza. Az elsődleges ok például a köél úlerhelése. Ekkor a köélerő a rugalmassági haár meghaladó megnyúlás okoz egészen a szakadásig. Erre mua egy példá az 2.11. ábra. Másik ok lehe például a hő haására bekövekező nyúlás. Ez elsődlegesen a gyárási hőmérsékle és a felhasználási hőmérsékle közöi különbségekből adódik. Vagy a forgásból bekövekező nyúlás, amely a szabad köélvég elfordulása kövekezében alakulha ki, illeve a kopásból adódó nyúlás, amelye a belső elemi szálak kopása mia bekövekező fémes kereszmesze csökkenés és ezzel együ bekövekező exra megnyúlás okoz azonos erhelés haására. 2.11. ábra. Köelek nyúlási szakaszai 12
Többárcsás súrlódó hajások bemuaása Az előzőekből kövekezik, hogy a köelek maradó nyúlása az élearamuk során folyamaosan nő, azaz a köélhossz is nő. Ez a nyúlás a felhasználási feléelekől, erhelésől, kopásól, köélszerkezeől sb függ. Ez a jelensége a ervezéskor is figyelembe kell venni, mer a maradó hosszválozással és a válozó rugalmassági modulussal számolni kell. Egy egyszerű példá mua be az 2.12. ábra a köelek folyamaos maradó nyúlására. Az élearam során a köél folyamaosan nagyobb és nagyobb maradó nyúlással rendelkezik (maradó nyúlás I, maradó nyúlás II. sb), amihez elérő erő-nyúlás görbék aroznak. Fonos megemlíeni, hogy a köelek megnyúlásának méréke melle a bekövekező ámérőcsökkenéssel is számolni kell. Fonos kiemelni, hogy az új polimer és egyéb alernaív köélanyagok egyik jellemzője az acélköelekhez képes nagyobb és folyamaos nyúlás [64]. 2.12. ábra. Köelek nyúlása az élearamuk során 2.1.7. Köelek hajlíási merevsége A köelek hajlíási merevsége ala a hajlíással szembeni ellenállásuka érjük. Ha a köeleke meghajlíjuk, akkor hajlíó feszülség kelekezik bennük. A hajlíási feszülség eseünkben a árcsán ávee köélnél jelenkezik. A köeleke a rúdszerkezeek körében elkülönülő szerkezeípusnak ekinjük, mer a húzási eherbírásukhoz, ill. húzási merevségükhöz képes arányalanul kicsiny a hajlíási merevségük. Köelekben hajlíó nyomaéko csak kivéelesen, pl. a köélvégeknél fellépő peremzavarkén veszünk figyelembe, másrész az elhanyagolhaóan kicsiny kihajlási kriikus erő mia nyomóerő nem működhe bennük [2,1]. A hajlíás közben az egyes elemi szálak és pászmák egymáshoz képes is elmozdulnak. A görbülei sugárral arányosan a nagyobb sugárnál lévő köélrészek nagyobb elmozdulás szenvednek el, min a kisebb görbülei sugáron lévő részek. A 2.13. ábrán láhaó egy egyszerű magyarázó példa. Minden dróköélre jellemző a kifáradás, de annak ermészee vagy súlyossága a köél jellemzőiől és a felhasználási körülményekől függ. A hajlíási feszülség kövekezében kialakuló kifáradás akkor kelekezik, amikor az elemi szál elveszi a képességé a hajlíásra vagy gáolva van a szabad sima mozgásban, illeve e keő kombinációjakor, amely elemi szál öréséhez veze. A kifáradás felgyorsíhaja a kopás, berágódás, vagy egyéb elemi szál sérülések is. 13
Többárcsás súrlódó hajások bemuaása 2.13. ábra. Köelélpászmák a köél hajlíása közben. A hajlíási feszülségek nagyságá elsődlegesen a kövekező paraméerek haározzák meg: köél ámérője, árcsa ámérője, hajlíási sugár, horonyalak, kenési viszonyok, erhelések, köél szerkezee, karbanarás. A felsorol paraméerek közül a köél ámérőjé és a hajlíási sugara szokák először kiemelni. A gyakorlaban ez a D/d viszonnyal (árcsa ámérő/köél ámérő) szokák jellemezni. Erre a hányadosra felhasználás függvényében más és más érékek javasolak. A egyes árcsa horonyalak jellemzőkre a 2.2.2 fejezeekben érünk ki. Az U, az alámesze U vagy a V2 horonyalak növelik az áviheő erhelés, de a megnövekede nyomás megakadályozza a köél elemi szálainak és pászmáinak a mozgásá, így kevésbé jelenkezik a kiegyenlíődés. ezen horonyalakoknál a minél nagyobb D/d hányados javasol az élearam elkerülése mia. A köelek kenésé és annak jelenősége is ismereésre kerül a korábbi fejezeekben. A kenés ezen belül is a belső kenés a hajogaás szemponjából kedvezőbb, mer a belső elemi szálak könnyebben udnak elmozdulni egymáson. A köél szerkezee alapjaiban haározza meg a hajlíási ulajdonságoka. A fémes kereszmesze vagy az elemi szálak érinkezése (pon, vonal, felülei), a sodrási hossz sb. nagyban befolyásolják a kialakuló hajlíási feszülségek nagyágá. A kifáradás és a köélélearamo a kövekező ényezők befolyásolják: hajlíási feszülség és hajogaás iránya, erhelési körülmény, sérülés, köél sebesség, kopás, korrózió, berendezés design, 14
Többárcsás súrlódó hajások bemuaása karbanarás. A hajlíási feszülsége befolyásoló ényezőke az előbbiekben bemuauk. A hajlíási feszülség növekedése eseén a köél élearam arányosan csökken. A ciklikus hajogaásnál az elemi szálak és pászmák egymáshoz képes mozognak. Ekkor belső kopások, berágódások is kialakulnak. Az ellenées irányú hajogaás jóval nagyobb igénybevéelnek eszi ki a köele, mer azonos helyeken válják húzó és nyomó feszülségek egymás. A erhelési körülmények (a köélerő, a hőmérsékle, a por sb), a sérülés (elemi szál szakadás sb.), a köél sebesség, a kopás (belső, külső sb.), korrózió, a berendezés designja, vagy a helyes és rendszeres karbanarás meglée szorosan összefüggnek. Mindegyik befolyásolja a másik jellemző és összességükben a kifáradási jelenségeke. A árcsán ávee köélnél fonos megemlíeni, hogy a árcsára felfuó és az arról lefuó köél nem azonnal hajlik meg, illeve egyenesedik ki [1,49] Ez időben lejászódó folyama és a hajlíási merevség mérékéől függ. Erre mua egy példá az 2.14 ábra. 2.14 ábra. Köél árcsára örénő fel és lefuása: meghajlási és kiegyenesedési szakasz 2.1.8. Többárcsás súrlódó hajásoknál alkalmazo köelek A öbbárcsás súrlódó hajásoknál a árcsák horonyalakja és ámérője a rendszer összeljesíményével együ az ado feladahoz válaszhaó. Ezér elsődlegesen a felhasználási körülmények és erhelési viszonyok adják meg, hogy milyen köél javasol. A köele válaszjuk a feladahoz, nem pedig a feladao a köelekhez. Álalánosságban az üzem szemponjából megkülönbözeünk csak hajo igénybevéelű köeleke, csak fékeze igénybevéelű köeleke és daru igénybevéelű köeleke. A külső haások közül a magas, vagy alacsony hőmérsékle, a por, a sós víz sb. kell kiemelnünk. Az élearammal szembeni elvárások, amely alapján a pon, vonal, vagy felüle érinkezésű köelek, vagy a műanyag beées köelek válaszhaók. Üzem közben a forgásmenesség is fonos igény lehe. A FUX ZR akuális sodronyköél kínálaá muaja be a mellékle M1.2. ponjának M1. áblázaa [22]. Jól láhaó, hogy a felhasználási erüleekhez és az ado igénybevéelek javasolják az ado köélípusoka. 2.2 Csörlő (ároló dob) és árcsa jellemzők A csörlőke a mai napig egyre szélesebb körben használják. Elsődleges feladauk a vonóelem árolása. Kisebb igénybevéeleknél és egyszerűbb feladaoknál a 2.1.b ábrán bemuao rendszernél a öbbárcsás súrlódó hajás kihagyják. Ekkor a csörlő lája el a kerülei erő ávielé is. Ilyen 15
Többárcsás súrlódó hajások bemuaása rendszerek például a kerekes kú, vagy a hagyományos erepjáróknál is használ csörlőrendszerek. A csörlőrendszerek kialakíására és ovábbi jellemzőire a kövekező fejezeponban érünk ki. A árcsák a öbbárcsás súrlódó hajás fő épíőelemei. Számuk, kialakíásuk egyérelműen megadja a rendszer álal áviheő kerülei erő nagyságá és a bizonsági ényező. Elsődleges feladauk a kerülei erőáviel bizosíása és a vonóelem megfelelő erelése. A rendszer hajási sebessége, az ávinni kíván kerülei erő nagysága, a karbanarási igény sb. különböző árcsakialakíásoka és árcsa jellemzőke kívánnak, ezér szine nincs ké egyforma rendszer. 2.2.1. Csörlő (Tároló dob) A csörlők álalában ké fő részből épülnek fel [41]: a vonóeleme ároló dobból, és annak a meghajásából. A 2.15.a ábrán láhaó a dob elekromos meghajása, a 2.15.b ábrán a ároló dob és a 2.15.c ábrán egy összeépíe rendszer. a, b, c, 2.15. ábra. Elekromos meghajás csörlőrendszerekhez (a,), csörlőknél használaos árolódob (b,), egy összeszerel csörlős endszer (c,) A meghajás feladaa, hogy a felcsévéléskor megfelelő nyomaéko adjon le a szükséges feszíés érdekében. A lecsévéléskor, vagy ereszéskor a dobo fékezni kell, hogy a öbbárcsás súrlódó hajásnál a kíván felfuó ági erő kialakuljon. A meghajások a legöbb eseben elekromos, hidraulikus, vagy pneumaikus elvűek. A szükséges csörlőeljesímény a csévélési nyomaékból és a fékezésből haározhaó meg. A 2.16. ábrán láhaó ké példa, amelynél a horgonymozgaó csörlő, és a hajóvonaó csörlő hasonló körülmények közö dolgozik, viszon kialakíásukban jelenősen elérőek. A hajóvonaó csörlő kialakíása roboszus, ovábbá a vonóelem megvezeése és erelése is szabályozo. a, b, 2.16. ábra. Horgony mozgaó csörlő (a,), hajóvonaó csörlő (b,) 16
Többárcsás súrlódó hajások bemuaása A ároló dobok kialakíása elsődlegesen a vonóelem paraméereiől függ. A dob legkisebb belső ámérője a árolni kíván vonóelem ámérőjével arányos. A köélámérők függvényében a legkisebb hajlíási sugár nagysága folyamaosan nő. Ellenkező eseben köélszerkezei károsodások léphenek fel, ovábbá a köél élearama draszikusan csökkenhe. A gyakorlai apaszalaok alapján a modern csörlőrendszereknél a belső dobámérő / köél ámérő (D/d) arányá adják meg, amely alkalmazásával elkerülheő a úl kicsi hajlíási sugár és a úlméreeze rendszer is [49]. A ároló dob kialakíások nagymérékben elérhenek. A jellemző alkalmazásokra mua egy példá a 2.17. ábra. A 2.17.a ábrán láhaó vékony köeles kialakíás dobámérője a dob szélességéhez képes kicsi, amely köél élearam szemponjából hibás kialakíás [1]. A 2.12.b és c ábrán láhaó nagy ámérőjű köélnél keskenyebb dobszélessége és jóval nagyobb ámérő alkalmazak. Minden eseben a nagyobb ámérőjű kialakíásokra kell örekedni [1]. a, b, c, 2.17. ábra. Széles kis ámérőjű csörlő D/d<15 (a,), keskenyebb nagyobb ámérőjű csörlő D/d=2-3 (b,), keskeny nagy ámérőjű csörlő D/d>1 (c,) A vonóelem hajlíási sugara melle a dob peremámérője a második fonos paraméer, amely a felcsévélheő réegek számá adja meg. A 2.18. ábrán láhaó D 1 és D 2 ámérőjű doboknál a köélréegek száma elérő. A öbb köélréeg hosszabb köél árolásá eszi leheővé, viszon a öbb réeges megoldásoknál közvelenül a dobokra nem adhaó nagy erhelés. Ha a le- vagy felcsévélés során úl nagy köélerő alakul ki, az egyes köélmeneek a réegek közö megsérheik egymás a legfelső réeg nyomása kövekezében. Az S k a lecsévélés kezdeekor, az első meneben kialakuló köélerő, az S v lecsévélés végén az uolsó meneben kialakuló köélerő. Egy kiemel paraméer a dob szélessége. A 2.18. ábrán láhaó dobok szélessége elérő: l 1 és l 2, amelyek kövekezménye az elérő β 1 és β 2 erelési szög. A dobkialakíásoknál és a öbbárcsás súrlódó hajásoknál a kis erelési szögekre kell örekedni. A erelési szög növelésével megnő a súrlódó hajásnál a árcsakopás méréke, ovábbá a köélszakadás, illeve a köél horonyból kiugrásának esélye. 17
Többárcsás súrlódó hajások bemuaása l 2 l 1 D 1 D 2 S k S v b 1 S k S v b2 S k S v S k S v 2.18. ábra. Kis ámérőjű csörlő (a,) és nagy ámérőjű csörlő (b,) Egy jellemző csévélési hiba a bevágás jelensége, amikor a lefuó köél bevág az alsóbb réegekbe, ami a nem megfelelően párhuzamos csévélés eredménye. Egy példa láhaó a 2.19. ábrán [1] 2.19. ábra. A nem megfelelő felcsévélés kövekezménye 2.2.2. Tárcsajellemzők A öbbárcsás súrlódó hajásoknál a árcsák elsődlegesen ámérőjükkel jellemezheők. A korábban bemuao D/d ámérőviszony a hajo árcsákra is igaz. A mai modern csörlős megoldásoknál a minimális árcsaámérő és a köél ámérő hányadosa 2 és 3 közö van. 18
Többárcsás súrlódó hajások bemuaása A második jellemzőjük a horonyalak, amely a súrlódási ényezőre van nagy haással. A használ horonyalakok pl. a H-horony, U-horony, az alámesze U- horony és a V-horony kialakíás. A jellemző kialakíásokra mua egy-egy példá a 2.2. ábra [4,71]. a, b, c, d, 2.2. ábra. Jellegzees horonykialakíások: H - horony (a,), U - horony (b,), alámesze U horony (c,) és V horony kialakíás (d,) A horonykialakíások ulajdonságai jelenősen elérnek. A H horony, vagy nincs horony a árcsákon nem bizosí megvezeés (2.2.a ábra), amelye olyan eseeknél használnak, ahol a köélerő kicsi, ezér ez a vonóelem árolásnál, illeve a csörlőrendszereknél alkalmazzák. Az U horony jó megvezeés bizosí.(2.2.b ábra) Az U-hornyos árcsák bizosíják leghosszabb köél élearamo [67]. A eljes köélfelüleen örénő aláámaszás csökkeni a kopás és a kifáradásból eredő károsodásoka. További előnye még, hogy a fajlagos felülei nyomás relaive kicsi, ezér a huzalok és a pászmák szabadon mozoghanak. Az élearami feléel meghaározza még a árcsa és a köél ámérőjének hányadosa: (D/d), amely bizosíja a könnyebb hajlíás, a nagyobb érinkezési felülee, csökkeni az üzemi feszülségeke, és álalában növeli a köél élearamo. Az előnyei melle az U-horony kialakíásnak háránya is van, mer az áviheő kerülei erő a valós súrlódási ényezőől függ. Az alámesze U - vagy a V - hornyoknál (2.2.c és d ábrák) a köél és árcsa közö kialakuló konaknyomás nagyobb, amelynek kövekezménye az, hogy a lászólagos súrlódási ényező nagyobb lesz, min a valóságos. Így nagyobb kerülei erő viheő á azonos árcsaámérővel, vagy azonos kerülei erő melle kisebb árcsaámérő is alkalmazhaó. Az ékhaás és a lászólagos súrlódási ényező elmélei háeré a 2.3.5. fejezeponban részleezzük [42]. A árcsaámérő csökkenésével a köél és a árcsa közöi konakfelüle is csökken. A konakfelüle és az áviheő kerülei erő csökkenés kompenzálása az U horonynál alámeszés alkalmazásával oldhaó meg. Az alámeszéssel ékhaás bizosíja, hogy nagyobb konaknyomás alakulhasson ki. A megnövel csúszásmenes áviheő kerülei erő a kopás növeli, a köél élearamo csökkeni, mer a fáradásos örések gyakorisága is megnő. A nagyobb áviheő kerülei erő a lászólagos súrlódási ényező növelésével érheő el. A V horony a legalkalmasabb kialakíás vonaásra, vagy nagy kerülei erők ávielére. A horonyszög válozaásával a maximális erőáviel módosíhaó. Álalában a 3-4 közöi horonyszögeke alkalmaznak. A felülei nyomás a V-hornyú árcsáknál a legnagyobb, ezér jellemző a nagy kopás és a rövidebb élearam. A kisebb erhelésű árcsáknál különböző beéeke is alkalmaznak, hogy a apadási feléeleke javísák. Ilyen beéanyagok lehenek a műanyag és a gumi. 19
Többárcsás súrlódó hajások bemuaása A árcsák élearamá elsődlegesen a kopásuk méréke szabja meg. A köelek keményebbek, min a hajásukra, vagy a megámaszásukra szolgáló árcsák. Az üzem közben a dróköél kopik, illeve belemarja magá a árcsába, így csökkenve a horony ámérőjé. A régi köél álal eszergál horony rákényszeríi az új köele, hogy az ámérőjénél kisebb horonyban üzemeljen. Ez a jelenség draszikusan csökkeni a köél élearamo a kedvezőlen konakfeléelek mia. Egy köél álal elkopao (eszergál), rossz sugarú horony láhaó a 2.21. ábrán. A névleges mérehez képes 2.21. ábra. Egy kopo árcsa U hornya szemmel láhaó a horonysugár elérés. A modern rendszereknél használ árcsák horonysugará a névleges mérehez képes 5%-kal nagyobbra gyárják, így hagynak kopási araléko. 2