Metodika Konstruisanja

MAŠINSKI FAKULTET SARAJEVO KATEDRA ZA MAŠINSKE KONSTRUKCIJE

METODIKA KONSTRUISANJA

– PREDAVANJA –

R. prof. dr. Adil Muminović

1. UVODNE NAPOMENE Konstruisanje tehničkih sistema razvilo se iz procesa izrade u zasebnu i zaokruženu cjelinu. Na niskom stepenu proizvodnih snaga, znanja i tehnologije, konstruisanje i izrada odvijali su se istovremeno. Zamisao je realizovana neposredno u radionici tako da su neki veliki pronalasci nastali na ovaj način. Npr. Džems Vat je svoju zamisao (parnu mašinu) neposredno izradio. Razvoj nauke a naročito tehnologije postavljao je zadatke koje su mogli da rješevaju samo ljudi sa više znanja i iskustva. Tako se izdvajaju najprije pojedinci, a zatim timovi sa zadatkom da osmišljavaju nove proizvode i nadziru realizaciju. Konstruisanje postaje izdvojena cjelina a veza sa proizvodnjom i eksploatacijom novostvorenog proizvoda čini projekat u kojem je dat prikaz načina rada, strukture i oblika dijelova, izrade, rukovanja, održavanja i dr. Etape u razvoju i korištenju proizvoda od ideje do recirklaže (uništenja) date su na slici 1.1.

I D E J A

KONSTRUISANJE

PROIZVODNJA

EKSPLOATACIJA

R E C I R K L A C I J A

RAZVOJ PROIZVODA TRŽIŠTE

Slika 1. 1 Etape u razvoju i korištenju proizvoda od ideje do recirklaže (uništenja) Tokom dugog perioda tehničkog razvoja proces konstruisanja je zadržao manje više istu fizionomiju. Konstruktori su znanja sticali iskustvom, upoznavanjem do tada razvijenih konstrukcionih rješenja, praćenjem proizvoda u eksploataciji, upoznavanjem teorijskih naučnih i stručnih disciplina i sl. Osnovne metode su učenje od iskusnijih, čitanje i posmatranje. Konstruiše se uglavnom po ugledu na postojeća konstrukciona rješenja uvodeći manje ili veće izmjene. Sljedeći konstruktor kod svog rješenja vrši dalje izmjene nastavljajući ovaj proces. Od serije do serije, od proizvođača do proizvođača, svi zajedno čine jedan iteracioni (veliki) postupak postepenog približavanja optimalnom rješenju. Pri tome, osnovna obilježja i principi konstruisanja ostaju nepromijenjeni. Korjenito, nova tehnička rješenja koja bi se u velikoj mjeri razlikovala od prethodnih mogu da nastanu kao plod izuzetne nadarenosti i nadahnuća konstruktora. U toj sferi konstruisanje se ravnja sa umjetnošću, a od kostruktora se zahtijeva nadarenost. Tako da je tehnički napredak postao zavisan od nadahnuća i nadarenosti pojedinca. Naravno da ovakav koncept nije mogao biti prihvaćen. Razmišljanja u pravcu oslobađanja od takvog pristupa počela su dosta davno. Tražene su mogućnosti da se do novih rješenja dođe primjenom određenog postupka, tj. pojednostavljeno rečeno šablona. Stvoren je niz metoda ali se čini da nijedna od njih nemože da ispuni željeni cilj. Očigledno je da konstruktor mora imati određene kvalitete, a navedene metode treba da

2

omoguće efikasnost i podsticaj na nova razmišljanja i nove ideje. Ekspanzija novih metoda i postupaka u konstruisanju nastala je razvojem tehničkih sredstava za izvođenje procesa kostruisanja. To se prije svega odnosi na računare koji su ulaskom u proces konstruisanja podstakli značajne promjene u tradicionalnim postupcima ili omogućili da neki koji su bili poznati dođu do punijeg izražaja. Konstruisanje mašinskih sistema i komponenata danas predstavlja kompleksan proces. Odvija se primjenom odgovarajuće metodike definisane redoslijedom i strukturom operacija. Operacije se izvode na osnovu definisanih tokova informacija (znanja i podataka), na osnovu donesenih odluka i sl. Na izučavanju tih procesa zasnovana je nova disciplina – TEORIJA KONSTRUISANJA.

1.1 Mjesto i uloga računara u procesu konstruisanja Proces konstruisanja u svojoj osnovi je informacioni proces jer polazi od ideje, odvija se korištenjem znanja i podataka i završava se informacijom o tome kako treba objekat izgledati i kakvo se ponašanje u eksploataciji očekuje. Koristi se i obrađuje velika količina podataka što predstavlja pogodno područje za primjenu računara. Prvi konstruktivni sistemi podržani računarima izašli su sredinom šezdesetih godina i razvijeni programski sistemi omogućavali su djelimična rješenje, npr. konstrukcione proračune ili programiranje numerički upravljanih alatnih mašina. Danas su razvijeni programski sistemi koji omogućavaju integraciju automatizovane obrade kompleksnih zadataka, kao npr. različite vrste grafičkih prezentacija, FEM aplikacije, NC aplikacije, planiranje rada i kvaliteta, izrada tehničke dokumentacije, itd. Za sistem koji omogućava obradu ovih zadataka usvojen je termin CAD koji je predložio D.T. Ross u toku istraživanja i razvoja NC (numerički upravljanog) programskog sistema. Razvojem metoda odvijanja operacija, razvojem računara i povezivanjem operacija u cjeline, stvaraju se sistemi operacija za kostruisanje pomoću računara. Najvažniji od njih su CAD, CAM, CIM, ekspertni sistemi i sl. Navedeni sistemi pri projektovanju i konstruisanju proizvoda i tehnologija dati su na slici 1.2. KONSTRUISANJE INŽENJERSKI PRORAČUNI

EKSPERTNI SISTEMI

GEOMETRIJSKE ANALIZE

CAD

CAE

CIM

PROIZVODNJA TEHNOLOGIJA

CAP CAD/CAM

NC, CNC, DNC

CAM

Slika 1. 2 Primjena računara u procesu konstruisanja i proizvodnji

3

2. CILJ I SADRŽAJ PROCESA KONSTRUISANJA Proces konstruisanja počinje idejom da se stvori novi proizvod a završava ispitnim prototipom. Rezultat procesa konstruisanja je projekat u čijem je sastavu prikaz strukture konstruisanog objekta (crteži dijelova i sklopova), analize, proračuni i upustva za izradu i eksploataciju. Odvija se u nekoliko faza od kojih je prva koncipiranje idejnog rješenja, druga dimenzionisanje i oblikovanje dijelova i sklopova, zatim analiza i provjera dijelova, sklopova i konstrukcija u cjelini i na kraju slijedi konstrukciona razrada. Faze u procesu konstruisanja date su na slici 2.1. Definicija problema

1.

KONCIPIRANJE IDEJNOG RIJEŠENJA

2.

DIMENZIONISANJE I OBLIKOVANJE

3.

ANALIZA STANJA DIJELOVA I SKLOPOVA

4.

KONSTRUKCIONA RAZRADA

Modificirati ograničenja problema

NE Da li je skup kriterija zadovoljen ?

DA

Slika 2. 1 Faze u procesu konstruisanja U fazi koncipiranja idejnog rješenja razrješavaju se osnovni principi rada buduće konstrukcije. Polazna osnova je opšta funkcija za čije je izvršavanje mašinska konstrukcija i namijenjena. Polazeći od ograničenja definisanih projektnim zadatkom odnosno listom zahtjeva, optimizira se princip izvršavanja elementarnih, parcijalnih i opšte funkcije s konačnim ciljem da se dođe do optimalnog principijelnog rješenja. Drugu fazu, dimenzionisanje i oblikovanje, čini konkretizacija oblika i dimenzija dijelova i sklopova zamišljenih u prvoj fazi. Bira se materijal, način izrade dijelova i na bazi proračuna određuju se polazne dimenzije odnosno parametri za definisanje oblika dijelova. Rezultat ove faze je prva verzija sklopnog crteža, koji se u nastavku procesa konstruisanja koriguje, mijenja i dopunjuje. U trećoj fazi, analiza stanja dijelova i sklopova, se kada je konstrukciono rješenje definisano, pristupa provjeri svih aspekata ispravnog izvršavanja funkcije. Analiziraju se uslovi rada, sigurnosti, pouzdanosti, kapaciteta, vibracija, buke, geometrijskih karakteristika dijelova i sklopova, uslovi održavanja, izrade i montaže, itd. Ove analize treba da opravdavaju dato konstrukciono rješenje i ukažu na značajne elemente važne za izradu, a naročito za eksploataciju. U ovoj fazi verifikuje se predloženo rješenje. U okviru četvrte faze, konstrukciona razrada, vrši se izrada crteža dijelova, kao što je dato na slici 2.1. ili u okviru treće faze kao što je obuhvaćeno prikazom na slici 2.2. Radi

4

ZADATAK PRIKUPLJANJE PODATAKA I RAZJAŠNJAVANJE

PRIPREMA ELEMENATA

ilustracije ukupnog stanja u procesu konstruisanja, slika 2.2., dat je skraćeni prikaz sadržaja i odvijanja procesa. Nakon prve faze dobija se koncepciono rješenje koje je rezultat koncipiranja ili kako se još naziva, projektovanja, što podrazumijeva definisanje strukture mašinskog sistema, vrste komponenata i dijelova, njihov raspored i veze. Optimiziranje koncepcionog rješenja odnosno principa rada, produžava se do završetka projekta. Izrada projekta a zatim glavnog projekta je konstruisanje u užem smislu riječi i podrazumijeva optimiziranje konstrukcije.

PREDPROJEKAT:

- Optimiziranje mjera, oblika, međusobnih veza i oslanjanja dijelova na bazi proračuna - Izbor materijala i koncipiranje sklopnog crteža OPTIMALNA VARIJANTA

PROJEKAT: - Detaljna razrada usvojenog rješenja sa završnim proračunima izdržljivosti i pouzdanosti te definitivno oblikovanje dijelova - Izrada crteža dijelova, upustava za montažu, rukovanje i održavanje - Analiza rezultata ispitivanja prototipa i potrebne izmjene nekih detalja projekta

GLAVNI PROJEKAT

OPTIMIZIRANJE PRINCIPA RADA RJEŠENJA

KONCEPCIJA RJEŠENJA

OPTIMIZIRANJE KONSTRUKCIJE – KONSTRUISANJE U UŽEM SMISLU

- Formiranje strukture funkcija tehničkog procesa - Formiranje principskih (koncepcijskih) rješenja - Izbor optimalne varijante

KONCIPIRANJ E RJEŠENJA

LISTA ZAHTJEVA

IZVOĐENJE Slika 2. 2 Skraćeni prikaz sadržaja procesa konstruisanja

5

2.1 Vrste konstrukcija Vrste konstrukcija se definišu prema sadržaju procesa konstruisanja. Pri razvoju konstrukcionih rješenja neke faze mogu biti izostavljene, a proces konstruisanja skraćen. Tako konstrukcije mogu biti: ponovljene, sa čvrstim principom, prilagođene, varijantne i nove. Ponovljene konstrukcije, bez ikakvih izmjena, izrađuju se u novoj seriji. Isključene su sve faze procesa konstruisanja osim manjih izmjena u tehničkoj dokumentaciji. Konstrukcije s čvrstim principom izvode se uvijek sa istom koncepcijom odnosno sa istim principom rada, a pri usavršavanju mijenjaju se samo mjere i drugi slični parametri koji ne dovode u pitanje princip rada. Prilagođena konstrukcija dobija se prilagođavanjem poznatih principskih rješenja novom zadatku koji treba da izvršava. Faza koncipiranja izvodi se samo djelimično, a dimenzionisanje, oblikovanje i provjere u potpunosti. Varijante konstrukcije imaju isti princip, a varira se veličina i razmještaj pojedinih komponenti unutar granica sistema. Na istom principu razvija se familija rješenja sa različitim karakteristikama. Nova konstrukcija podrazumijeva nov princip rada za promijenjene kao i za postojeće zadatke. Za konstrukciju se kaže da je nova ako se ukupna (opšta) funkcija ostvaruje novim razmještajem poznatih ili novih komponenata odnosno dijelova. Prema nekim procjenama nešto više od polovine lansiranih konstrukcija spada u grupu prilagođenih, nešto više od četvrtine su nove, a ostale su varijantne. To ukazuje da je broj novih konstrukcionih rješenja u svijetu relativno veliki, ali da u svakom slučaju nisu potrebne sve faze odnosno da se proces konstruisanja može skratiti. Skraćenje može imati pozitivne i negativne efekte što je stvar ispravne procjene kakav princip odabrati. Na slici 2.3. dat je prikaz zastupljenosti pojedinih faza u procesu konstruisanja. FAZE KONSTR. KONCIPIRANJE

OBLIKOVANJE I DIMENZIONISANJE

RAZRADA I ANALIZA KONSTRUKCIJE

PONOVLJIVA KONSTRUKCIJA

-

-

-

KONSTRUKCIJA S ČVRSTIM PRINCIPOM

-

- +

+

PRILAGOĐENA KONSTRUKCIJA

- +

+

+

VARIJANTNE KONSTRUKCIJE

- +

+

+

NOVE KONSTRUKCIJE

+

+

+

KONSTRUKCIJA

Slika 2. 3 Zastupljenost faza u procesu konstruisanja Konstruisanje koje se zasniva na izmjenama i korekcijama poznatih rješenja je operativno konstruisanje. Razvojno konstruisanje podrazumijeva stvaranje novih idejnih rješenja i razvijanje ispitivanja i provjere svih elemenata i detalja do uhodavanja proizvodnje i konstrukcije.

6

2.2 Zahtjevi i ograničenja pri konstruisanju Konstruisanju prethode široka istraživanja svih elemenata vezanih za tržište, izradu i eksploataciju budućeg proizvoda. Osim toga prikupljanje podataka se vrši i iz literature, sa postoječih konstrukcionih riješenja, iz rezultata raznih eksperimenata ispitivanja i dr. Saznanja koja se tom prilikom prikupe omogućavaju da se definišu zadaci, zahtjevi i ograničenja kako za objekat koji se konstruiše tako i za konstruktore. Lista zahtjeva je tehnički dokument u kome se definiše projektni zadatak, propisuju sva ograničenja, zahtjevi i drugi uslovi koje konstruktor treba da zadovolji. Neki od elemenata liste zahtjeva su funkcija sistema, tehnološka svojstva, ekonomska ograničenja i dr. FUNKCIJA koju treba da izvršava buduće konstrukciono riješenje definiše se na osnovu izučavanja potreba tržišta, potreba za rješavanjem određenog tehničkog problema, izučenih postoječih konstrukcija za istu svrhu i dr. Funkcija se u listi zahtjeva definiše opisno, uz potrebne skice, dimenzije vezane za radni prostor, materijal koji se prerađuje, energiju koja se koristi i dr. Koliko će detaljno ovi podaci biti dati zavisi od raspoloživih podataka i jasnoće stava u pogledu definisanja zadataka prije početka razvoja konstrukcije. Neophodno je jasno definisati ulazne i izlazne materijale, energije, informacije (podatke) po vrstama, karakteristikama, dimenzijama i sl. RADNA SVOJSTVA mašine odnosno objekta koji se konstruiše definišu se prema potrebnom odn. željenom kvalitetu izvršavanja funkcije, načinu rukovanja, održavanja, potrebnoj sigurnosti i pouzdanosti u radu, radnom vijeku i dr. Kvalitet izvršavanja funkcije, zavisno od vrste funkcije koja se u sistemu odvija, definiše se prema različitim parametrima kao što su brzina izvršavanja funkcije, preciznost, kapacitet i dr. Od ovih osobina u najvećoj mjeri zavisi konkurentnost proizvoda na tržištu, obim plasmana i vrijeme održavanja na tržištu. Stoga njihova efikasnija postizanja su od velikog značaja. ERGONOMSKA SVOJSTVA od velikog su značaja posebno ako čovjek rukuje mašinom u dugim vremenskim intervalima. Odnos mašine i čovjeka treba da je definisan tako da što manje zamara, da onemogući povrede, da spriječi pogrešno rukovanje i tome sl. Rukovaoca treba što više osloboditi i veći dio upravljačkih f-ja automatizovati, ukoliko to ne narušava druga ograničenja kao što su složenost, cijena ili mogučnost tehničke realizacije. SPOLJNI IZGLED za mnoge mašine i opremu nije od značaja. Ipak u borbi za tržište i kod ovih objekata poklanja se sve veća pažnja izgledu. Ciljeve koje u tom smislu treba ostvariti, postavljaju se također u listi zahtjeva. TEHNOLOŠKA SVOJSTVA budućeg proizvoda od velikog su značaja prvenstveno za proizvođača. Dijelovi treba da su tehnologični tj. da se mogu izraditi uz što manje napora, za što kraće vrijeme i uz što manju upotrebu specijalne opreme. Predvidjeti u prvom redu one tehnologije kojima proizvođač raspolaže. Primjenjene tehnologije treba da su i ekonomski opravdane i da omoguće zadovoljavanje i drugih ograničenja. Sve ovo ukazuje na tijesnu vezu tehnologije i konstrukcije. U fazi definisanja zadatka tj. izrade liste zahtjeva tehnoploška ograničenja treba da budu načelno postavljena a u toku konstruisanja vrlo je poželjna stalna komunikacija sa tehnologijom, u suprotnom ako komunikacija izostane javljaju se nesporazumi na relaciji konstukcija-tehnologija. EKONOMSKA OGRANIČENJA prisutna su u svakoj operaciji, zahtjevu, karakteristici. U cjelini uzev cilj je dobiti proizvod sa što nižim troškovima proizvodnje kako bi pozitivna razlika između cijene na ttržištu i troškova bila što veća. Izbor materijala, tehnologija, složenosti konstrukcije itd. Mora da bude usmjerena u smislu povećanja ove razlike što

7

omogućuje sniženje cijene i povečanje konkurentnosti na tržištu. Korišćenje standardnih i unificiranih elemenata jedan je od načina za postizanje ovog cilja. USLOVI ISPORUKE , TRANSPORTA, MONTAŽE itd. nemaju kod svake konstrukcije isti značaj, međutim tamo gdje im je važnost velika nemogu se i ne smiju se zanemariti. Konstrukcije velikih gabarita i masa treba predvidjeti u više cjelina radi olakšanja ili čak omogućavanja transporta. Veličine treba da su usklađene sa ograničenjima gabarita tereta na putevima, željezničkim tunelima, nosivošću kranova idr. Mogućnost prolaza kroz razne otvore staze i kod manjih gabarita mogu biti ograničavajući faktori. SKLAPANJE I RASKLAPANJE vrlo su značjni kod onih konstrukcija koje zahtjevaju česte intervencije u toku eksploatacije. Zamjena dijelova kod automobila, aviona, aparata za domaćinstvo i dr. mora biti jednostavna. Pristup dijelovima mora biti maksimalno omogućen, pogotovu onim koje treba povremeno mjenjati. Konstruktor mora sebe zamisliti u ulozi održavaoca ili korisnika.

2.3 Koncipiranje idejnog rješenja 2.3.1

Opšti pogled

Koncipiranje idejnog rješenja buduće mašinske konstrukcije podrazumijeva utvrđivanje globalnog razmještaja dijelova i komponenti radi ostvarivanja zadate funkcije. Razrađuju se principske šeme, pri čemu se dijelovi i komponente prikazuju uprošteno dogovorenim znacima ili jednodimenzionalno (linijama). Ova faza zahtijeva dosta znanja o izvršavanju funkcije mašinskog sistema i o izvršiocima funkcija nižeg nivoa (komponenata), pa je to najčešće posao inženjera usko specializovanih za pojedine oblasti mašinstva. Oni u svojoj svijesti projiciraju osnovnu zamisao odnosno osnovnu ideju mašine te se ova faza konstruisanja, osim koncipiranja, naziva i projektovanje. Npr. za koncipiranje idejnog rješenja projektovanja vozila najpozvaniji su inženjeri za motorna vozila, transportnih, dizaličnih i sličnih mašina inženjeri za mehanizaciju, sistema za automatiku inženjeri automatike, itd. Kako od ideje odnosno od opisa funkcije doći do idejnog rješenja, pitanje je koje se rješava tokom niza godina unazad. Zadnjih nekoliko decenija ovi pokušaji su usmjereni u smislu iznalaženja postupka koji bi omogućio da se slijedeći određenu metodiku, ideja postepeno transformiše u strukturu tj. u skup funkcionalno povezanih dijelova i komponenti. U tom smislu razvijen je niz postupaka. Zajedničko za sve je na neki način doći do skupa mogućih rješenja iz kojeg treba odabrati optimalno. Pristup u pronalaženju rješenja je uglavnom heuristički jer sve metode čine postupci za istraživanje novih, do tada nepoznatih principa. Njihov razvoj odvijao se tako što su jedni postupci uticali na stvaranje drugih i teško je povući granicu između njih. Svoje pristupe i obilježja dali su Zwickye, Males, Hansen, Müller, Frazer, Jones, Metra, Radenecker, Roth, Koller, Hubka i dr. U daljem tekstu biće dat sintetizovani pristup zasnovan na idejama istraživača navedenih pri kraju spiska, naročito Hubke. U metodama za traženje rješenja u osnovi je asimilirano nekoliko osnovnih principa koji obezbjeđuju potreban kvantum znanja odnosno saznanja za transformaciju ideje u konstrukciono rješenje. Neki od tih principa su: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

analiza prirodnih sistema (npr. bioloških), analiza poznatih tehničih sistema, analogija i teorija sličnosti, intuicija, metodika pronalaženja novih ideja, itd. 8

Analizom prirodnih sistema došlo se do niza oblika, sada uobičajenih u primjeni, kao što su oblici u vidu saća, školjki, aerodinamički i sl. Dalja istraživanja strukture organizama i zbivanja u njima su izvor novih mogućih tehničkih rješenja. Prirodni procesi inspirišu maštu konstruktora a biomehanika na naučnoj osnovi istražuje vezu između bioloških i tehničkih sistema. Analiza poznatih tehničkih sistema je princip sticanja znanja i dolaženja do rješenja, koji u razvoju mašinskih konstrukcija zauzima značajno mjesto. Tehnička rješenja za analizu mogu biti: proizvodi sa tržišta, stariji proizvodi vlastitog preduzeća, slični proizvodi ili komponente iz drugih oblasti primjene i sl. Cilj ovih analiza može biti dvojak. Novim konstrukcionim rješenjem nadmašiti nivo do sada izvedenih konstrukcija ili kopirati određene principe i rješenja. Analiza izvedenih konstrukcija ponekad dostiže takav nivo da se u konstrukcionom birou proizvod rasklapa, snimaju detalji i rade crteži. Ova krajnost može dovesti do spornih situacija između proizvođača oko autorstva na određeno konstrukciono rješenje i do drugih problema. Iako je izučavanje postojećih rješenja neophodna prethodnica razvoju sopstvenog, ipak ovaj pristup dovodi i do nekih negativnih posljedica. Mašta konstruktora ostaje vezana za proučene principe te i novo rješenje traži u tim okvirima. Pojava novih rješenja, naročito novih principa u ovakvom pristupu, malo je vjerovatna. Tek iteracijama iz generacije u generaciju proizvoda, od proizvođača do proizvođača, mogu se pojaviti vidljivi pomaci u tom smislu. Na osovu analogije između različitih oblasti tehnike, mnogi principi i rješenja preuzeti su iz drugih grana. Tako npr. razvoj elektronike snažno je uticao na razvoj nekih oblasti mašinske tehnike, proračuna pouzdanosti, usavršavanja automatike i regulacionih sistema. Uz analogiju, u ovu svrhu koristi se i teorija sličnosti. Preuzimaju se principi izvršavanja sličnih funkcija iz tehničkih sistema sa drugačijom namjenom ili se čitav sistem prilagođava izvršavanju drugačije funkcije. Primjenom teorije sličnosti razvijaju se redovi (familije) konstrukcionih rješenja sa različitim numeričkim vrijednostima radnih karaktera. Ponašanje konstrukcije malih gabarita preslikava se na velike i obrnuto. Zahvaljujući teoriji sličnosti, veličina sistema ne predstavlja prepreku da saznanja utvrđena na jednoj razmjeri dobiju opšti značaj. Intuicija u kombinaciji sa naprijed iznesenim analizama postojećih rješenja i prirodnih sistema, uz korištenje analogije i sličnosti, u dugom vremenskom razdoblju bila je jedini izvor kvalitetno novih principskih rješenja. Intuicija kao saznanje koje je neposredno došlo u svijest, a da ne može biti objašnjeno, može se pojaviti samo kod nadarenih i iskusnih konstruktora. Ova „osobina“ iako je vrlo poželjna kod pojedinaca i koja može dovesti do velikih prodora u traženju novih rješenja, ima značajne nedostatke. Obično prava ideja ne dolazi u pravo vrijeme. Fabrika se ne može oslanjati samo na intuiciju svojih konstruktora. Zato se ova poželjna osobina mora kombinovati sa drugim, naročito sa metodičkim pronalaženjem rješenja. S tim u vezi razvijane su i posebne intuitivne metode čiji je cilj da podstaknu intuiciju u pravo vrijeme i na pravom zadatku. Metodika pronalaženja principskog rješenja (koncipiranja) je skup postupaka dolaženja do rješenja korak po korak. Cilj tih postupaka je formiranje „tehnologije“ za dolaženje do rješenja koja neće biti zavisna od intuicije i nadarenosti pojedinca, iako je to vrlo poželjno i korisno. Industrija ne smije biti zavisna od događaja koji se ne mogu planirati. Druga komponenta metodičkog pristupa je pomjeranje procesa razmišljanja pri koncipiranju u sveru apstraktnog. Umjesto da se odmah razmišlja o rješenjima, sistem se

9

definiše apstraktnim strukturama funkcija koje treba da dovedu do rješenja koja ne moraju biti slična postojećim. „Bježanje“ od postojećih rješenja ne odnosi se na cjelokupan proces konstruisanja. To bi značilo zanemariti dotadašnja i tuđa iskustva. Nakon stvaranja koncepcije, postojeća rješenja i iskustva iz eksploatacije su najvažniji izvor znanja i podataka za dalji razvoj konstrukcije. Apstraktno razmišljanje znači razvoj strukture bez konkretnog rješenja kako će se ona realizovati. To omogućava veću opštost i širinu pristupa. Konstruktor ne slijedi prvo prihvatljivo rješenje do kojeg dođe. Traži se najprije skup svih mogućnosti, a zatim odabira najpogodnija. Postupak se odvija kroz nekoliko koraka. Prvi obuhvata izradu apstraktne strukture funkcija, zatim, drugi, formiranje matrice izvršilaca funkcija, treći formiranje varijanti rješenja i na kraju četvrti se odnosi na izbor optimalne koncepcione varijante. 2.3.2

Struktura funkcija mašinskog sistema

U teoriji mašinskih sistema smatra se da se sistem sastoji od organa koji izvršavaju određenu funkciju. U apstraktnom predstavljanju sistem može biti predstavljen strukturom funkcija u kojoj su definisane vrste funkcija i njihova međusobna veza. Polazi se od opšte funkcije koju sistem treba da izvrši, ova se funkcija raščlanjuje na parcijalne, a parcijalne na elementarne. Veze se ostvaruju uzajamno i hijerarhijski. Opšta funkcija je apstraktno opisana zavisnost između ulaznih i izlaznih veličina sistema odnosno opis željenog procesa u sistemu. U listi zahtjeva daje se kratak opis šta treba buduća mašina (sistem) da radi. U okviru ove strukture potrebno je doći do odgovora na pitanje kako treba da radi. Kao i mašine, tako i njihove opšte funkcije, mogu biti različite. Mogu se svrstati u sljedeće tri grupe: ƒ Funkcije radnih mašinskih sistema u kojima se prerađuje materijal (mlinovi, mješalice i sl.), vrši obrada materijala (alatne mašine, drvoprerađivačke i sl.), transportuje materijal (vozila, dizalice, itd). ƒ Funkcije energetskih mašinskih sistema (motori, generatori, turbine, pumpe, ventilatori, kompresori i sl.). ƒ Funkcije namjenskih mašinskih sistema tj. one funkcije koje se ne mogu svrstati ni u jednu u prethodne dvije grupe. Tu u prvom redu spadaju funkcije mašinskih sistema u vojnoj tehnici ali i druge. Opštu funkciju, kao nepoznatu strukturu, pogodno je predstaviti crnom kutijom (slika 2.4). U kutiji je nepoznati tehnički proces koji se odvija na osnovu ulaznih materijala, energije i podataka. Rezultat procesa su obrađeni (prerađeni) materijal, energija i podaci. Svi ulazi i izlazi ne moraju postojati, a može ih biti i više vrsta. ULAZNI MATERIJAL

OPŠTA FUNKCIJA

IZLAZNI MATERIJAL

ENERGIJA

MAŠINSKOG SISTEMA

ENERGIJA

PODACI

(CRNA KUTIJA)

PODACI

Slika 2. 4 Opšta funkcija mašinskog sistema 10

Materijal može biti sirovina, poluproizvod, mašinski dio, tečnost, granulat, prašina, gas i dr. U mašinskim sistemima materijali se mijenjaju: mješaju, odvajaju, boje, transportuju, pakuju ili prelaze u neko drugo stanje. Radni materijali se prerađuju da bi se dobili polufabrikati ili gotovi proizvodi. U grupu proizvodnih materijala spadaju metalni matrijali, keramički, kompozitni i dr. Osim proizvodnih, mašinski sistemi koriste i pogonske materijale kao što su razne vrste goriva, maziva i sl. Energija može biti za pogon mašinskog sistema (radni MS) ili se pretvara iz jednog u drugi (energetski MS). Koriste se sve vrste energije: mehanička, toplotna, električna, magnetna, optička, akustična, hemijska, atomska. Sila, moment i snaga takođe se svrštavaju u ovom slučaju u energiju jer se mogu ostvariti samo korištenjem energije. Signali (podaci) su u prvom redu upravljačke veličine ili informacije o procesu koji se odvija u sistemu. Detektuju se mjerenjem odnosno utvrđivanjem položaja, brzina, sila, temperature ili neke druge fizičke veličine, a zatim se upoređuju, sabiraju, povezuju, registruju i sl. Dobijene informacije omogućavaju donošenje odluka za upravljanje sistemom. Signali se prenose u vidu neke vrste energije koja je obično mala. Stoga je ponekad teško razlikovati ovu energiju od osnovnog toka energije. Parcijalne funkcije u ukupnoj strukturi funkcija čine prvi niži hijerarhijski nivo ispod opšte funkcije. Izvršavanjem parcijalnih funkcija obezbjeđuje se izvršavanje opšte funkcije. Izvršavaju ih podsistemi ili komponente u mašinskom sistemu. U apstraktnom smislu opšta funkcija može biti različito raščlanjena u parcijalne. Svaka parcijalna funkcija predstavlja neku radnju koju treba izvršiti uključujući i komande, kontrolu, detekcije i sl. Radi ilustracije na slici 2.5 dat je primjer presovanja metalnog praha pri izradi dijelova od sinterovanog metala. PRAH ELEKTRIČNA ENERGIJA

DOVOĐENJE PRAHA

PRESOVANJE

PRESOVANJE PRAHA

IZBACIVANJE KOMADA IZ KALUPA

PRESOVANI KOMADI

KONTROLA

ODLAGANJE KOMADA

KOREKCIJA REŽIMA

Slika 2. 5 Parcijalne funkcije za presovanje metalnog praha

11

Pripremljeni mljeveni metalni prah treba dopremiti u kalup za presovanje, a zatim izvršiti presovanje, izbaciti otpresak iz kalupa i prekontrolisati kvalitet. Dobre komade treba odložiti, a loše vratiti u metalni prah. Na osnovu kontrole kvaliteta donosi se odluka da li se proces nastavlja sa istim režimom (silom, hodom presovanja i sl.) ili se neki od ovih uslova koriguje. Sve su to parcijalne funkcije koje u odgovarajućoj međusobnoj vezi obezbjeđuju izvršavanje opšte funkcije. Međusobni odnos, povezivanje i broj funkcija za isti tehnički proces u sistemu može biti različit. Stoga se struktura parcijalnih funkcija najčešće daje u varijantama. Za složenije sisteme snabdjevene podsistemima za automatsko upravljanje, izvršavanje komandi i dr., izrada strukturnih dijagrama, analiza ulaza i odziva na poremećaje obuhvata se posebnom disciplinom – automatsko upravljanje mašinskim sistemima. Utvrđena struktura parcijalnih funkcija podvrgava se daljoj analizi u smislu razvrstavanja prema načinu izvršavanja. Prvu grupu čine one parcijalne funkcije koje treba da se izvrše pomoću mašinskog sistema kojim se konstruiše. U drugu grupu svrstavaju se one funkcije koje izvršavaju mašine i uređaji koji rade u sprezi sa ovom koja se konstruiše. Na kraju se izdvajaju funkcije koje izvršava poslužilac mašine u procesu upravljanja njenim radom, kontrole ili posluživanja. Preraspodjelom funkcija između prve i treće grupe dobija se viši ili niži stepen automatizovanosti u radu. U navedenom primjeru na slici 2.5, alatom za presovanje potrebno je ostvariti funkciju izbacivanja komada iz kalupa dok se dovođenje metalnog praha može izvesti u sklopu ovog alata ili pomoću posebnog dozatora. Samo presovanje izvršava se pomoću prese tj. mašine koja nije u sastavu alata za presovanje. Ako se kontrola, odlaganje komada i korekcija režima prepuste operateru, što je uobičajeno kod ovakvih tehničkih procesa, stepen automatizovanosti ostaje relativno nizak. Automatizacija izvršavanja nekih od ovih funkcija može značajno da poveća složenost sistema, a time uveća cijenu, održavanje i dr. Stoga je razvrstavanje funkcija u prvu ili treću grupu od velikog značaja za mnoge karakteristike buduće mašinske konstrukcije. Elementarne funkcije izvršavaju se u okviru parcijlnih, tj. predstavljaju sljedeći hijerarhijski nivo u funkcionisanju mašinskog sistema. Svaka od parcijalnih funkcija ostvaruju se izvršavanjem elementarnih funkcija. U okviru razrade strukture funkcija dalje slijedi raščlanjivanje parcijalne funkcije na elementarne. Jedna od mogućih struktura parcijalne funkcije za istiskivanje komada iz kalupa, u navedenom primjeru, može biti ona data na slici 2.6. 1 RADNI HOD

POVEĆANJE SILE 5 OSTVARIVANJE SILE

4

3

2

POVRATNI HOD

VOĐENJE

6 OBEZBJEĐENJE KRAJNJIH POLOŽAJA

Slika 2. 6 Jedna moguća varijanta strukture parcijalne funkcije za istiskivanje presovanog komada iz kalupa

12

Broj mogućih kombinacija odnosno struktura elementarnih funkcija je znatno veći od broja varijanti strukture parcijalnih funkcija. Svaka parcijalna funkcija može se ostvariti izvršavanjem većeg ili manjeg broja elementarnih funkcija. One mogu biti različito kombinovane i povezane u odgovarajuće strukture. Najpogodniji pristup pri formiranju strukture elementarnih funkcija je ako se svaka od funkcija može izvršiti pomoću jednog mašinskog elementa. Međutim, to je znatno lakše izvesti u elektronici. Svaku od funkcija izvršava otpornik, namotaj, kondenzator i sl. dok u mašinstvu to nije slučaj. Mašinski elementi izvršavaju samo dio od ukupnog broja potrebnih elementarnih funkcija. Osim toga jedan mašinski dio ili sklop može izvršavati i više funkcija istovremeno ili obrnuto. Za izvršavanje jedne funkcije potrebno je više dijelova. To uvećava potrebu da se pri formiranju strukture funkcija još više uđe u sfere apstrakcije, a da se analiza načina izvršavanja ostavi za kasnija razmišljanja. U ovoj fazi treba razmišljati samo o tome šta treba uraditi da bi se ostvarila funkcija višeg nivoa, a ne i kako da se to izvede.

2.4 Izvršioci elementarnih funkcija Polazeći od definicije mašinskog elementa da izvršava elementarnu funkciju u mašinskom sistemu, slijedi da se svaki mašinski sistem može formirati kombinovanjem mašinskih elemenata. Nažalost, ovakva konstatacija ne važi u potpunosti. Pomoću mašinskih elemenata mogu se izvršiti samo neke elementarne funkcije. Za ostale, u svakom konkretnom slučaju treba pronalaziti načine izvršavanja. Osim toga izvršavanje skoro svake od elementarnih funkcija može se ostvariti pomoću različitih izvršilaca. Sve to nameće potrebu za sistematskom analizom načina izvršavanja elementarnih funkcija u usvojenoj strukturi funkcija mašinskog sistema. Mašinski elementi su uglavnom standardizovani dijelovi i sklopovi, ispitani i provjereni u različitim uslovima eksploatacije, sa razvijenim postupcima proračuna, od uobičajenih su materijala, određenih dimenzija i oblika. Mnoge od njih serijski izrađuju specijalizovani proizvođači prema standardizovanim dimenzijama i karakteristikama. Korisniku preostaje da iz familije standardnih elemenata odabere onaj koji zadovoljava date uslove i ograničenja. Upotreba standardnih mašinskih elemenata za izvršavanje elementarnih funkcija obezbjeđuje niz prednosti počev od ekonomskih, preko funkcionalnih, sigurnosti i pouzdanosti, stepena usavršenosti itd. To je razlog što se čine stalni pokušaji u smislu proširenja broja mašinskih elemenata. Opšti mašinski elementi izrađuju se u velikim serijama za tržište. Prema principu rada i primjeni za izvršavanje elementarnih funkcija, mogu se razvrstati u sljedeće grupe: 1.

Opšti mašinski elementi sa mehaničkim principom rada: ƒ elementi za vezu – razdvojivu i nerazdvojivu, ƒ elementi za akumulaciju energije (sve vrste opruga), ƒ elementi za prenos snage (zupčasti, frikcioni, remeni parovi i lančani parovi, navojni prenosnici, mehanizmi sa ekscentrima i zavojnim žljebovima sa klizačem), ƒ elementi obrtnih kretanja (vratila i osovine, ležaji, spojnice), ƒ kočnice, ƒ postolja, kućice, stubovi i sl., ƒ elementi za podmazivanje, ƒ cijevi, sudovi, ventili, zatvarači i ƒ elementi za kontrolu i upravljanje.

13

2.

Opšti mašinski elementi sa drugim principima dejstva: ƒ pneumatske komponente MS: klipni mehanizam sa pneumatskim dejstvom, razvodnici, ventili i dr., ƒ hidrauličke komponente MS: klipni mehanizmi, razvodnici, priključci, ventili, spojnice, savitljive cijevi, pumpe, hidromotori i dr., ƒ električne komponente: elektromotori, sklopke, prekidači, releji i sl. I ƒ elektronske komponente: elektronska kola, procesori i dr.

3.

Posebni mašinski elemeneti koji se ugrađuju samo u nekim mašinama: ƒ klipni mehanizmi: klip, klipnjača, ventil, itd., ƒ izolacioni elementi od: toplote, električnog napona, vibracija, buke i dr., ƒ elementi za kontrolu i regulaciju i ƒ elementi za oslanjanje mašina.

S obzirom da dijelovi i sklopovi koji se koriste na više mašina, poznati kao mašinski elementi, ne pokrivaju sve moguće elementarne funkcije, postoji potreba da se obrazuje princip za formiranje izvršilaca funkcija. Primjenom ovih principa mogu se za svaku elementarnu funkciju iznalaziti rješenja za izvršavanje, tj. obrazovati izvršioci. Obrazovanje izvršilaca sastoji se u određivanju pricipa izvršavanja, određivanju inicijalnih fizičkih veličina za izvršavanje, a zatim slijedi šematski prikaz principa i utvrđivanje veze između ulaznih (inicijalnih) i izlaznih fizičkih veličina. Skup ovako formiranih izvršilaca čini katalog izvršilaca elementarnih funkcija. Ona rješenja iz kataloga koja postanu uobičajena u primjeni, su mašinski elementi. Primjenom kataloga područje izvršilaca elementarnih funkcija koje obezbjeđuje mašinski element je prošireno i na one posebne principe koji se samo ponekad javljaju. Tako je konstruktoru olakšan izlaz iz okvira poznatih principa izvršavanja elementarnih funkcija. Može se lakše doći do atraktivnijih i neuobičajenih rješenja, međutim svaki novi princip je neprovjeren. Može biti tehnološki teško ostvariv, nepouzdan u radu, nepogodan za održavanje i sl. Sve provjere i ispitivanja u vezi s tim, poskupljuju proizvod i produžavaju vrijeme dolaženja do rješenja. Za svaku elementarnu funkciju, u strukturi funkcija, formira se pregled prihvatljivih načina izvršavanja. Parcijalnu funkciju čini više elementarnih. Svaka elementarna funkcija može da se ostvari pomoću više izvršilaca, a pregled izvršilaca jedne parcijalne funkcije čini morfološku matricu (slika 2.7). Ova matrica se popunjava skicama principskih rješenja ili gotovih elemenata za izvršavanje elementarnih funkcija. Skice i principi izvršilaca uzimaju se prvenstveno iz kataloga izvršilaca ili se kreiraju neposredno pri obrazovanju matrice.

14

Slika 2. 7 Morfološka matrica izvršilaca elementarnih funkcija u okviru jedne parcijalne funkcije (matrica se popunjava skicama ili opisom principa izvršavanja)

2.5 Formiranje varijantnih rješenja U prethodnom postupku razrade strukture funkcija, traženje principa i sl. provedena je analiza nakon koje treba da uslijedi sinteza usvojenih principa. Izrada morfološke matrice je prvi korak u tom pravcu. Drugi korak sastoji se u ispitivanju mogućnosti uklapanja usvojenih izvršilaca. Ne mogu se prihvatiti nesaglasni principi izvršavanja. Ako je usvojen mehanički princip, drugi principi: hidraulički, pneumatski i sl. teško su prihvatljivi. Uklapanje principskih rješenja može biti onemogućeno i zbog neodgovarajućeg položaja osa, zbog neodgovarajućeg prostora za smještaj i sl. Nakon pojedinačnog ispitivanja svakog rješenja i odbacivanja neprihvatljivih, ostaje skup izvršilaca koji se može koristiti za sintezu idejnih rješenja. Ako je broj prihvatljivih izvršilaca za prvu funkciju a1 , za drugu a 2 , do poslednje a k , ukupan broj mogućih koncepcijskih rješenja je Z = a1 ⋅ a 2 ⋅ K ⋅ a k . Ovako dobijen broj mogućih kombinacija sa ponavljanjem je dosta veliki. Ako je na pimjer a1 = 4 , a 2 = 5 , a3 = 2 , a 4 = 3 , a5 = 3 , a 6 = 5 (primjer na slici 2.7), množenjem se dobija Z = 1800 varijanti. Svakako da broj ovih mogućnosti neće biti iskorišten. Ne mora se kombinovati svaki izvršilac sa svakim, niti je to uvijek izvodljivo. Pri stvaranju kombinacija dolazi do punog izražaja kreativnost konstruktora. Kombinacije se formiraju zavisno od karaktera izvršilaca. Jedan izvršilac funkcije može biti upotrebljen kod više varijanti, a neki od njih ne moraju biti korišteni. Na slici 2.7 pokazan je redoslijed u odabiranju rješenja iz morfološke matrice pri stvaranju rješenja koncepcionih varijanti. Koliko će ih biti obrazovano zavisi od procjene da li su iscrpljene sve realne mogućnosti za dobijanje nečeg novog. Nakon formiranja sklopova ili drugih cjelina za izvršavanje 15

parcijalnih funkcija pristupa se formiranju strukture za izvršavanje opšte funkcije. Postupak je isti kao i pri obrazovanju izvršilaca parcijalnih funkcija. Na osnovu skupova izvršilaca parcijalnih funkcija formira se skup koncepcionih rješenja za izvršavanje opšte funkcije.

2.6 Izbor optimalne varijante Iz grupe formiranih varijantnih rješenja potrebno je odabrati optimalno, odnosno utvrditi koje od rješenja u najvišem stepenu zadovoljava postavljene zahtjeve, kriterijume i ograničenja. Za donošenje ovakvih odluka razvijeno je više metoda od kojih je metoda vrednovanja najprikladnija. Karakteriše je subjektivnost u ocjenjivanju ispunjenosti postavljenih zahtjeva i objektivnost u donošenju odluke. U tom smislu, preporukama VDI – 2225 ova metoda je ocijenjena najprihvatljivijom i predložen postupak njene primjene. Kriterijumi za dvoparametarsko vrednovanje prema VDI – 2225 svrstavaju se u dvije grupe: tehničke i ekonomske. Da bi neki tehnički objekat mogao da bude prihvatljiv, potrebno je da zadovolji tehničke kriterijume, tj. da je sa tehničkog aspekta pogodan i sa ekonomskog aspekta da je prihvatljiv za realizaciju tj. da je njegova izrada ekonomski opravdana. Izbor kriterijuma je značajan zadatak jer se neposredno odražava na ispravnost donesene odluke. Osnova za definisanje kriterijuma je lista zahtjeva postavljena pri utvrđivanju projektnog zadatka. Sami kriterijumi za ocjenivanje rješenja odnose se na period izrade i eksploatacije. Kao tehnički kriterijumi mogu biti uključeni parametri svrstani u sledeće grupe.

ƒ Ispravnost i kvalitet izvršavanja predviđene funkcije, odnosno karakteristike vezane za eksploataciju. Tu spadaju kapacitet, produktivnost, potrošnja energije, zatim brzina izvršavanja funkcije, tačnost i druge karakteristike koje u konkretnim primjerima mogu biti značajne. ƒ Sigurnost ili pouzdanost u radu je kriterijum za vrednovanje rješenja koji kod nekih sistema može biti važan za više aspekata. Održavanje manje pouzdanih sistema je složenije, skuplje ili smanjuje efektivno vrijeme korištenja. Bezbjednost okoline, ljudi i sredstava u odnosu na rad sistema, također je značajan pri izboru rješenja. Uz ovaj mogu se svrstati i ekološki uticaji na okolinu kao što su zagađivanje prirodne sredine, visok nivo buke i vibracija i dr. ƒ Održavanje složenijih sistema je vrlo važan kriterijum za donošenje odluke o izboru. U sprezi je sa pouzdanošću sistema u radu. Ocjenivanje treba da obuhvati pogodnost za održavanje kao što je jednostavnost popravki, broj dijelova sa ograničenim vijekom, vrijeme između intervencija, zadržavanje izvan pogona i dr. ƒ Ergonomičnost je značajan kriterijum za one mašine čiji je rad u vezi sa rukovanjem poslužioca. Pogodnosti za rukovanje kao što su prilagođenost mašine čovjeku, napor koji treba uložiti, zamor i sl. treba vrednovati na osnovu kriterijuma iz ove grupe. ƒ Nivo troškova održavanja smatra se jednim od tehničkih kriterijuma s obzirom da je značajan za opravdanost eksploatacije kao što je pouzdanost u radu ili kvalitet izvršavanja funkcije. Ocjena po ovom kriterijumu daje se na osnovu obima troškova pogonske energije, ulja, vode i drugih potrošnih materijala potrebnih za eksploataciju. Cijena rezervnih dijelova, popravki, izgubljenog vremena itd. također treba da se obuhvati pri ovom vrednovanju.

16

Ekonomski kriterijumi vezani su isključivo za troškove proizvodnje, tj. za kalkulaciju vlastitih troškova izrade. Ovi troškovi u tijesnoj su vezi sa tehnologičnošću i brojem dijelova. Dijelovi složenijeg oblika i dijelovi koji zahtijevaju skuplju tehnologiju, stvaraju veće troškove izrade. Sa tog aspekta najpogodniji su standardni, tipizirani i unificirani dijelovi. Veće učešće ovih dijelova doprinosi sniženju ukupnih troškova proizvodnje, a utiče i na tretman rješenja u odnosu na veći broj tehničkih kriterijuma.

2.6.1 Vrednovanje po tehničkim kriterijumima Vrednovanje po tehničkim kriterijumima vrši se subjektivnim ocjenjivanjem rješenja. Ako je za vrednovanje usvojeno n kriterijuma, svako od rješenja ocjenjuje se po svakom od njih ocjenama p od 0 do 4 . Najviša ocjena 4 predviđena je za idealno odnosno vrlo dobro rješenje, za dobro rješenje 3 , zadovoljavajuće 2 , za tek prihvatljivo rješenje 1 i za rješenje koje po datom kriterijumu ne zadovoljava 0 . Svako rješenje treba da bude ocijenjeno po svakom od usvojenih kriterijuma. Najpogodnije je da se ocjene svrstaju u tablici radi preglednosti (vidjeti primjer). Za svako od varijantnih rješenja utvrđuje se prosječna ocjena i upoređuje sa idealnom. Ako su ocjene i -tog varijantnog rješenja p1 , p 2 , K , p n po svakom od n kriteriuma i ako je najviša ocjena pmax , tehnička dobrota tog rješenja je n

pj ∑ p1 + p2 + ... + pn j =1 = . Xi = n ⋅ pmax n ⋅ pmax

Vrijednosti za X i iznad 0,8 svrstavaju koncepcijsko rješenje sa tehničkog aspekta u vrlo dobra, iznad 0,7 u dobra, a ispod 0,6 u nezadovoljavajuća. Ovakav način ocjenjivanja podrazumijeva da svi kriterijumi imaju isti značaj za rad konstrukcije. U protivnom je potrebno uvođenje prioriteta kriterijuma pomoću koeficijenata prioriteta kriterijuma k j

( j = 1,2,K, n ) .

Vrijednosti ovih koeficijenata treba da su oko 1 tj. k j = 1 za one

kriterijume čiji se značaj ne mijenja, za kriterijume povećanog značaja k j > 1 i za kriterijume smanjenog značaja k j < 1 . Ukupna ocjena u tom slučaju je n

Xi =

∑k j =1

j =1

⋅ pj .

n

∑k

j

j

⋅ p max

2.6.2Vrednovanje po ekonomskim kriterijumima

Vrednovanje po ekonomskim kriterijumima vrši se u odnosu na ukupne troškove proizvodnje. Te troškove čine troškovi izrade (H ) , troškovi razvoja proizvoda, troškovi uprave, troškovi prodaje i dr. U pojednostavljenom obliku, ukupni troškovi mogu se izraziti množenjem troškova izrade koeficijentom α , tj. α ⋅ H . Radi upoređenja potrebno je definisati troškove izrade idealne varijante. Na osnovu tržišne cijene proizvoda tog tipa

17

određuju se dopušteni troškovi izrade H dop . Prema VDI smjernicama, troškovi izrade idealne varijante su 0,7 ⋅ H dop . Usvajajući da je učešće ostalih troškova u idealnoj varijanti isto, može se obuhvatiti također koeficijentom α . Ekonomska dobrota i -tog varijantnog rješenja može se u tom slučaju izraziti kao

Yi =

0,7 ⋅ H dop H

.

Vrijednosti za Yi dobijene na ovaj način su uvijek manje od 1. Troškovi izrade (H ) sastoje se od troškova materijala, troškova alata i mašina, troškova energije, troškova neposrednog rada, opštih troškova rada i sl. Troškovi materijala određuju se na bazi zapremine (mase) materijala i cijene, zatim otpadnog materijala, troškova nabavke, itd. Troškovi alata i mašina za izradu utvrđuju se na osnovu produktivnosti te opreme i obima proizvodnje, tj. na osnovu serije proizvoda koji treba da se izrade tom opremom. Ovakav pristup, koji nameće potrebu preciznog izačunavanja svih troškova u fazi kada mnogi parametri nisu definisani, nije opravdan. Stoga se postupak određivanja troškova izrade može i uprostiti. Za pojedine vrste proizvoda, na osnovu iskustva, tablicama se daje učešće troškova materijala u ukupnim troškovima izrade. Na ove se iznose dodaju ostali troškovi opet prema preporukama i normama. U slučaju kada je i ovaj pristup komplikovan, može se izvršiti veće uproštavanje, tako da se ekonomsko vrednovanje izvrši na isti način kao i tehničko. Pri tome, kriterijumi mogu biti: broj dijelova, složenost dijelova, broj stamdardnih dijelova, složenost montaže i sl. Ocjena bi se svela na subjektivnu procjenu i iskustvo. 2.6.3

Ocjena optimalnosti

Ocjena optimalnosti vrši se na osnovu tehničke i ekonomske dobrote. Potrebno je da i jedan i drugi parametar bude u što većem stepenu zadovoljen. Na slici 2.8 grafički je prikazano zadovoljenje kriterijuma. Za svako koncepciono rješenje unosi se tačka sa koordinatama ( X 1 , Y1 ), ( X 2 , Y2 ), K, ( X n , Yn ) . Ono rješenje za koje je tačka bliža liniji pod uglom od 45° ima ujednačenu tehničku i ekonomsku dobrotu. Bolje je ono rješenje koje osim što je sa ujednačenom tehničkom i ekonomskom koordinatom, udaljenije od koordinatnog početka. Može se dogoditi da su za dva ili više koncepciona rješenja tačke bliske jedna drugoj kao što je slučaj sa varijantama 1 i 4 na slici 2.8a. Tada se donošenje odluke može odložiti. Nakon razrade, tj. dimenzionisanja i oblikovanja dijelova, biće više elemenata da se poveća razlika između sličnih varijanti. Za dobijanje numeričkog pokazatelja o optimalnosti rješenja potrebno je utvrditi srednju vrijednost pokazatelja tehničke i ekonomske dobrote. Pokazatelj optimalnosti w može se dobiti kao aritmetička sredina ovih koordinata.

w=

X +Y . 2

18

Slika 2. 8 Ocjena optimalnosti prema stepenu tehničke ( X ) i ekonomske (Y ) dobrote koncepcionog rješenja

Na slici 2.8b isprekidanim linijama prikazane su jednake veličine pokazatelja optimalnosti dobijenih na ovaj način. Druga mogućnost za utvrđivanje pokazatelja optimalnosti je postupak hiperbole w = X ⋅Y .

Na slici 2.8b linije sa jednakim pokazateljima optimalnosti su hiperbole. Pri velikim razlikama tehničke i ekonomske dobrote po aritmetičkom uproštavanju može se dobiti veća ukupna dobrota nego pri uravnoteženim (ujednačenim) vrijednostima. S obzirom da ujednačene vrijednosti imaju prednost, postupak hiperbole je pogodniji.

19

3. Oblikovanje i dimenzionisanje dijelova mašinskih konstrukcija Utvrđeno optimalno koncepciono rješenje je skup funkcionalno povezanih dijelova. Prikazani su odgovarajućim znacima, šematski. Tačni oblici, dimenzije, materijal, kvalitet, međusobno uklapanje i sl. nisu definisani. U ovoj fazi potrebno je u tom smislu konstrukciono rješenje upotpuniti, odgovoriti na mnoga pitanja i donijeti mnoge odluke. Najvažnije se mogu se svrstati u sljedeće grupe: ƒ Pitanja u vezi sa načinom izrade (veličina serije, raspoloživi kapaciteti, kooperacija sa drugim proizvođačima, cijena, vrsta materijala, radni uslovi, održavanje i dr.). ƒ Materijal (pitanja u vezi hemijskog sastava, polufabrikata, termičke i mehaničke obrade). ƒ Određivanje dimenzija dijelova je pitanje koje se u značajnom stepenu rješava konstruktorskim metodama. Ograničen je broj dimenzija koje se mogu analitički (numerički) izračunati, tj. relativno je mali broj dimenzija za koje se mogu napisati obrasci i jednačine iz kojih se izračunavaju numeričke veličine. U mnogim slučajevima te jednačine nisu egzaktne jer su dobijene tek poslije aproksimacija i uproštavanja te su potrebne popravke, korekcije i sl. Konstruktor nemože zaobići ona pitanja odnosno određivanje onih dimenzija za koje nisu razrađeni teorijski modeli. Prinuđen je da se posluži procjenama, analogijama, eksperimentima i sl. Računar ne može biti od značajne koristi tamo gdje ne ipostoji matematički model, međutim brzim proračunima na osnovu postoječih modela može se obezbjediti veliki broj informacija neophodnih za donošenje odluke. ƒ Oblikovanje dijelova u sprezi je sa tehnološkim ograničenjima, naponskim i drugim stanjima, racionalnošću konstrukcije, itd. Čitav je niz ograničenja koja optimalni oblik treba da zadovolji i ostvari funkciju na najbolji način ƒ Kvalitet, tačnost, tolerancije, hrapavost i slične karakteristike dijelova iste su važnosti kao i ostale naprijed navedene. Definišu se u fazi konstrukcije na bazi proračuna, ispitivanja i procjena.

Osim iskustva, preporuka i ograničenja, značajnu ulogu u definisanju dijelova, oblika i dimenzija imaju standardi. Standardni dijelovi svrstani su u familije te konstruktoru ostaje da odabere odgovarajući iz proizvodnog programa specijalizovanih proizvođaća (ležaji, vijci, navrtke, opruge, spojnice i sl.).

3.1 Kriterijumi za dimenzonisanje dijelova Dimenzije mašinskih dijelova treba da su odabrane tako da mašinski dio uspješno izvršava funkciju uz ograničenje pri eksploataciji i pri izradi. Vrsta i ponašanje materijala pri tome čini osnovni skup graničnih uslova. Koja će stanja i koja ograničenja biti usvojena za mjerodavna zavisi od samih dijelova i od procjene konstruktora, a mogu se svrstati u nekoliko sljedećih grupa: ƒ ƒ ƒ ƒ

ograničenja vezana za izvršavanje funkcije, obezbjeđenje potrebne čvrstoće, postizanje zadovoljavajuće krutosti, zadovoljavanje zakonskih i ekonomskih ograničenja i dr.

20

U osnovi je neophodno da svi zahtjevi budu zadovoljeni u određenoj mjeri. S obzirom da su u svojim postavkama protivrječni, međusobno usaglašavanje vodi ka optimalnim veličinama prihvatljivim sa više aspekata. Npr. za neke dijelove i dimenzije važna je čvrstoća, za druge dijelove i dimenzije krutost, masa ili niska cijena. Kriterijumi odnosno ograničenja koja se matematički, primjenom odgovarajućih algoritama, izračunavaju najčešće su zasnovani na teorijski razjašnjenim procesima i stanjima u dijelovima. To su naponska stanja, stanja deformacija, teorija kretanja i ravnoteže, dinamička stanja, toplotna stanja i dr. 3.1.1 Dimenzionisanje na osnovu funkcije dijelova i sklopova

Osnovne dimenzije dijelova, naročito sklopova i mašina definisane su funkcijom koju izvršavaju, npr. gabaritne dimenzije sudova i rezervoara pod pritiskom ili veličina radnog stola alatne mašine ili dužine strijele dizalice i sl. One dakle predstavljaju polazne veličine za daljni proračun i oblikovanje dijelova, i može se reći da ove radne, odnosno funkcionalne mjere definišu osnovne gabarite čitavog niza dijelova neke mašine, npr. definišu se dužine nosača, položaja oslonaca mehanizama, smještajni prostor pokretnih dijelova, spojeva, sistema za održavanje itd. Prema načinu odredjivanja funkcionalne mjere (dimenzije) mogu se razvrstati u nekoliko manjih grupa. Jednu od njih čine dimenzije koje se dobijaju neposrednim izračunavanjem na osnovu neke numeričke vrijednosti funkcionalne veličine, npr. rezervoar svojom funkcijom treba da obezbjedi potreban prostor za smještaj fluida odredjene zapremine V. Na osnovu ove zapremine mi možemo definisati prečnik, odnosno dužinu rezervoara što znači da neke veličine vežemo za funkcionalnu veličinu u ovom slučaju zapreminu. V = Vc + 2Vd =

d 2π hc + 2k d d 3 4

Usvajanjem odnosa visine i prečnika: kc =

hc = 1,1...1,5 ili više i d

koeficijenta zapremine danca kd koja zavisi od njegovog oblika sljedi da je prečnik rezervoara: d=

V 3

π 4

k c + 2k d

Dubina danca zavisi od njegovog tipa, te je dužina rezervoara h = hc + 2hd.

21

Slika 3.1 Tipičan oblik suda pod pritiskom Drugu grupu funkcionalnih mjera čine one dimenzije koje su odredjene veličinom radnih organa mašine ili potrebnim prostorom za izvršavanje predvidjenih operacija. Primjer za to bi bila ručna presa za montiranje zakovica. Naime potreban prostor za smještaj dijelova koji se zakivaju i radnih organa uključujući i radni hod, odredjuje dimenzije ostalih dijelova prese.

Slika 3.2 Funkcionalne mjere utvrđene na osnovu potrebne veličine radnog prostora -radni hod po visini iznosi 80 mm, -najveći raspon ose zakivka od stuba, odnosno od ivice obloge je 40 mm.

22

Treću grupu funkcionalnih mjera obično čine različite noseče strukture, odnosno različite vrste nosača. Kako su noseče strukture i nosači namjenjeni za objedinjavanje dijelova mašina u cjelinu i njihovo nošenje, dužine i položaji oslonaca zavise od veličine i rasporeda dijelova koje objedinjavaju, npr. Dužina vratila u kućištu zavisi od širine zupčanika i ležaja na njemu.

Slika 3.3 Funkcionalne dimenzije nosećih dijelova i struktura određene veličinom komponenata u spoju utvrđene na osnovu potrebne veličine radnog prostora 3.1.2 Dimenzionisanje na osnovu naponskih i drugih stanja dijelova i spojeva Usljed spoljnih uticaja, tj. opterećenja dijelovi mašina su izloženi odredjenim stanjima. Može se reći da je većina mašinskih dijelova izložena mehaničkim opterećenjima i naponskim stanjima. Toplotnim procesima i stanjima izložen je znatan broj dijelova ali samo onda kada je ovaj uticaj dominirajući što je ipak rijedje u mašinstvu. Naponska stanja u mašinskim dijelovima po pravilu su složena, a tome doprinose i složeni oblici samih dijelova i složen raspored napadnih opterećenja. S druge strane usljed promjene opterećenja ili usljed obrtanja mašinskih dijelova mjenjaju se i naponi npr. vratilo). Pošto su opterećenja definisana prvenstveno radnim uslovima na koje nemožemo bitno uticati to nam preostaje jedina mogućnost da se napon mijenja promjenom dimenzije ili oblika dijela. To su u prvom redu dimenzije poprečnog presjeka. Oblik presjeka mora biti najprije usvojen, a zatim postavljen izraz za izračunavanje napona u najopterećenijim tačkama. Kod dijelova koji su izloženi savijanju i uvijanju to su tačke na spoljnoj konturi poprečnog presjeka dok su kod zatezanja i smicanja naponi jednaki po cijelom presjeku bez obzira na oblik. Za složeno napregnute dijelove najveći napon odredjuje se sabiranjem napona po nekoj od hipoteza. Na bilo koji način da je formiran izraz za najveći napon on je funkcija od dimenzija poprečnog presjeka. Ograničavanjem gornjih vrijednosti napona jednačina se svodi na nepoznate parametre poprečnog presjeka, npr. ako je mašinski dio kružnog poprečnog presjeka izložen savijanju tada imamo:

σ=

M M 32 M = 3 ≤σd ⇒ d = 3 W π ⋅σ d d π 32

23

Iz gornjeg izraza (analize) vidimo da je odredjivanje prečnika vrlo jednostavno medjutim tu ima niz spornih pitanja: a) Jednačina za napone izvedena je za idealne uslove, tj. idealno elastičan materijal i bez prisustva koncentracije napona. S druge strane kod složenih naponskih stanja sabiranje naponskih stanja je hipotetično što znači, da imamo još jedan elemenat nepouzdanosti. b) Koncentracija napona teško se može definisati s obzirom da dimenzije u ovom trenutku nisu nam poznate pa preostaje jedina mogućnost da se uticaj koncentracije pretpostavi i u proračunu uključi, npr. povećanjem radnog napona ili smanjenjem dozvoljenog napona. c) Dozvoljeni napon je ograničavajuća veličina od koje zavisi veličina dimenzija koja će se dobiti. Može se odrediti na osnovu kritičnog napona i stepena sigurnosti

σd =

[σ ] , zatim na osnovu teorije pouzdanosti ili pomoću teorije razaranja.

S Imajući sve ovo u vidu dimenzionisanje na prikazani način je ipak orijentaciono ali zbog jednostavnosti i brzog dolaženja do dimenzija poprečnog presjeka dati pristup je ipak dosta u primjeni. Primjenom računara ovaj način se može čak nešto i popraviti, npr. primjenom iteracionih postupaka zatim metodom konačnih elemenata i sl. Naravno ovo je moguće samo za one mašinske dijelove, odnosno poračune dimenzija koji se ponavljaju i za koji je opravdano razvijati neki program.

3.1.3. Dimenzionisanje na osnovu potrebne krutosti mašinskih dijelova Funkcija nekih dijelova mašina može biti onemogućena ukoliko deformacije prekoraće predvidjenu granicu. Npr. vratilo zupčastog prijenosnika ukoliko se savija preko dozvoljene granice dovodi do neispravnog sprezanja zupčanika ili do neispravnog rada ležaja. S druge strane velike deformacije nosećih struktura mogu dovesti do poremećaja medjusobnog položaja komponenata koje čine jedan sklop. Osim toga funkcija nekih mašinskih dijelova kao što su opruge, npr. ostvaruje se zahvaljujući tačno odredjenim deformacijama, odnosno krutosti. Deformacije mašinskih dijelova u stvari su srazmjerne opterećenju, dimenzijama i načinu oslanjanja. Osim uzdužnih mjera koje su obično odredjene na osnovu funkcije mašinskih dijelova, dimenzije poprečnog presjeka kao i njegov oblik definišu krutost. To omogućuje da se na osnovu željene krutosti izračunavaju dimenzije poprečnog presjeka. Izračunavanje deformacija mašinskih dijelova vrlo je često složeno. Veliki je broj uticaja i složena medjuzavisnost. Osim toga dimenzionisanje na bazi naponskih stanja je jednostavnije, a kriterijumi su zadovoljeni obično sa manjim dimenzijama presjeka nego pri dimenzionisanju na osnovu krutosti. To su razlozi da se dimenzije presjeka mašinskih dijelova na osnovu krutosti izračunavaju samo izuzetno kada je to neophodno. S obzirom da se pri postizanju visoke krutosti dobijaju dimenzije presjeka znatno veće nego što je potrebno da se obezbjedi dovoljna čvrstoća, to se ponekad potrebna krutost postiže izborom posebnih oblika, ukručenjima i slično. Ovo je naročito važno za dijelove od kojih se traži visoka čvrstoća i krutost, a u isto vrijeme i mala masa, npr. za dijelove vazduhoplovnih konstrukcija, motornih vozila i slično

24

3.1.4 Dimenzionisanje uz zadovoljenje zakonskih i ekonomskih ograničenja Radi podizanja nivoa kvaliteta i ekonomičnosti, u svijetu je donesen niz propisa, standarda, preporuka, principa i dr. koji direktno ili indirektno usmjeravaju odredjivanje i izbor dimenzija. To su u prvom redu standardi, a zatim razne smjernice i pravila stvorena na bazi akumulisanih iskustava.

Standardi i standardizacija Standardi su tehnički propisi koji na nacionalnom nivou imaju snagu zakona, te sve korisnike obavezuju da ih primjenjuju. Sve zemlje imaju svoje nacionalne standarde, a na medjunarodnom nivou je ISO - standard. Danas postoje i evropske norme EN koje takodje regulišu odredjene propise u Evropskoj zajednici. Standardima su uglavnom obuhvaćene dužinske mjere i druge numeričke karakteristike mašinskih dijelova. Ovo je važno za polufabrikate, npr. debljine limova, prečnici cijevi i slično. Isto tako karakteristični oblici i tolerancije dužinskih mjera i oblika su obuhvaćene standardima kao što su, npr. oblici navoja, oblici zubaca zupčanika i slično. Standardni mašinski dijelovi ali sklopovi danas u sve brojniji a sa druge strane broj standardnih dijelova naročito sklopova proširuju se internim standardima. Konstruktor vrši izbor iz standardnog niza, to je njegova obaveza i to uklapa u konstrukciju pri čemu sve nestandardne dijelove prilagodjava standardnim. Iz tih razloga u interesu je da, broj standardnih dijelova bude što veći jer u tom slučaju izostaje procedura konstruisanja, svodi se na izbor odgovarajućeg. Iz ovog možemo zaključiti da kod standardnih dijelova izbor se svodi obično na odredjivanje jedne od glavnih karakteristika, a onda se na osnovu nje odredjuju ostale veličine (npr. kotrljajni ležaj). Suprotan primjer ovome je proračun kliznih ležišta, jer tu imamo vrlo malo standardnih dijelova. Standardizacija postupaka proračuna, ispitivanja, označavanja, grafičkog prikazivanja i slično je još jedno od područja koja tretiraju ovi propisi. Pravila tehničkog crtanja mašinskih dijelova, postupci proračuna zupčanika, ležaja i drugih dijelova i sklopova definisani su opšteprihvaćenih propisa u medjunarodnim razmjerama. Postupci ispitivanja osobina materijala, mašinskih dijelova (ležaja, vijaka i dr.), mašinskih konstrukcija: buke, vibracija i sl., takodjer su utvrdjeni ovim propisima. Osnovno pravilo za konstruktora je da uskladi konstrukciono rješenje sa standardima sa obaveznom primjenom, a u nedostatku ovih da konsultuje inostrane propise jer mogu biti od koristi.

Tipizacija Komponente mašina standardizovane nacionalnim ili internim standardom razvijaju se u familijama. To znači da se isti oblik izradjuje u više različitih veličina sa različitim radnim karakteristikama, npr. različitih snaga ili nosivost. Ove karakteristike pokoravaju se nekom od standardnih redova brojeva. Snage motora ili reduktora veličine 4; 6,3; 10; 16; 25 KW itd. pokrivaju široko područje, tj. formiraju familiju iz koje je moguć izbor za različite primjene. Unifikacija Ugradnja tipiziranih komponenata, može biti nedovoljno ekonomična, npr. ako se u jednoj mašini ugradjuje više različitih ležaja, potrebno je nabavljati i čuvati veliki asortiman ovih komponenata, obradjivati oslonce na različite mjere i sl. S toga je potrebno da se broj tipiziranih komponenata smanji, npr. ugradjuju se jači ležaji na nekom osloncu nego što je potrebno da bi on bio jednak sa drugim. Tako se komponente u jednoj konstrukciji unificiraju (ujednačuju). 25

Modularno konstruisanje Sljedeći nivo u unifikaciji je modularni sistem. Mašina se dobija komponovanjem iz gotovih cjelina. Nova rješenja se formiraju različitim razmještajem komponenata. Na ovaj način ubrzava se konstruisanje, povećava broj varijantnih rješenja i smanjuje cijena proizvoda. Komponente (cjeline) se razvijaju prema sopstvenim kriterijumima i standardima proizvodjača.

3.1.5

Optimiziranje dimenzija iteracionim postupcima

Dimenzionisanje je proces usklađivanja parametara konstrukcije odnosno mašinskog dijela sa ograničenjima koja su u vezi sa funkcijom dijelova, čvrstoćom, krutošću, standardima, ekonomičnošću i dr. Pri tome su neka ograničenja u međusobnoj zavisnosti ili zavise od nepoznatih dimenzija. Matematičku međuzavisnost, kojom bi se definisala funkcija cilja za optimiranje, teško je postaviti. U nedostatku ovog modela optimiziranje se vrši iteracionim postupkom, tj. postupnim približavanjem rješenju koje će u potrebnoj mjeri zadovoljiti postavljena ograničenja. Na slici 3.4 ova ograničenja su prikazana funkcijama g1 , g 2 , g 3 ,K .

Slika 3. 4 Postizanje optimalnog rješenja iteracionim postupcima Minimum funkcija cilja može biti u granicama ovog područja ili izvan njih. Postepenim (iteracionim) približavanjem, u prvom slučaju minimum se može postići u potpunosti dok se u drugom slučaju optimalno rješenje nalazi na granici g prema minimumu (slika 2.9b). S obzirom na potrebu velikog broja ponavljanja proračuna sa izmjenjenim ulaznim podacima, ovakav pristup u potpunosti se može sprovesti samo uz primjenu računara. U klasičnim postupcima proračuna često se izvodi skraćeni iteracioni postupak za važnija ograničenja. Primjena računara u postupku dimenzionisanja ne omogućava samo brzo izvođenje iteracionog postupka. Omogućeno je optimiziranje na osnovu više kriterijuma (više iteracionih petlji), zatim određivanje graničnih uslova i izbor potrebnih podataka za proračun, organizaciju podataka i dr. U pogledu nivoa automatizovanosti odnosno stepena

26

u kojem je obezbijeđena samostalnost programa za optimiziranje i donošenje odluke, može se formirati slijedeća gradacija.

ƒ Program je samo algoritam (model) za proračun dok sve potrebne ulazne veličine unosi konstruktor pri korištenju programa. ƒ Program za proračun spregnut je sa podprogramima za odabiranje podataka iz datoteka koje su za tu svrhu posebno pripremljene. Na ovaj način broj veličina koje treba unijeti pri startovanju programa je jako smanjen. Unose se podaci bitni za postavku zadatka. ƒ Mogućnost optimiziranja dimenzija mašinskog dijela dobija se uvođenjem kriterijuma i potprograma za ispitivanje dobijenih rezultata. Ako se poređenjem rezultata i ograničenja dobije ne zadovoljavajući odnos, poseban program mjenja ulazne podatke i proračun ponavlja (slika 3.5). Broj ponavljanja zavisi od konvergencije rezultata postavljenom ograničenju. Ograničenja mogu biti sigurnost, pouzdanost, krutost, veličina objekta ili neka od radnih karakteristika.

PODACI

OGRANIČENJA

MODEL ZA PRORAČUN

POREĐENJE

PROMJENA ULAZNIH PODATAKA

NE

ZADOVOLJAVA

Slika 3. 5 Osnovni princip optimiziranja dimenzija iteracionim postupkom

27

3.2. Izbor polaznih elemenata za dimenzionisanje i racionalnost iskorišćenja mase dijelova Dimenzionisanje mašinskih dijelova u uskoj je vezi sa izborom polaznih elemenata. Izbor materijala, tehnologije, sigurnosti i sl., zajedno sa dimenzionisanjem koje podrazumjeva i racionalno iskorišćenje mase mašinskog dijela, čine ovu problematiku vrlo kompleksnom. Ograničenja za izbor dimenzija (funkcije g1, g2, ...) u uskoj su vezi sa izabranim polaznim elementima. Radi sagledavanja smjernica za izbor polaznih elemenata, potrebno je sagledati u kakvoj su oni medjuzavisnosti. Ova veza najjasnije se ispoljava kroz masu mašinskog dijela, te analizom uticaja na masu mogu se sagledati i medjusobni uticaji pojedinih parametara.

3.2.1. Uticaji na masu dijelova Radi uspostavljanja analitičkih zavisnosti, masa mašinskog dijela, može se izraziti u funkciji svih uticaja koji doprinose njenom povećanju ili smanjenju. Ove korelacije dobijaju se proširivanjem osnovnog izraza za masu m, parametrima od kojih zavise dimenzije dijelova. m = A⋅l⋅ρ,

Dijelovi izloženi savijanju, ako se dimenzionišu na osnovu potrebne čvrstoće, odnosno dozvoljenog napona:

σ doz =

[σ ]

S otporni moment poprečnog presjeka može se izraziti kao: M M ⋅S W = =

σ doz

[σ ]

veličina poprečnog presjeka i otporni moment su u medjuzavisnosti: A = K W 2/3 gdje je K – konstanta zavisna od oblika presjeka.

π d 2π d2 A 4 4 Npr. za kružni presjek: K = 2 / 3 = = = 3,69 2/3 2/3 3 W ⎛d π ⎞ 2⎛ π ⎞ d ⎜ ⎟ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 32 ⎠ ⎝ 32 ⎠ Uvrštavanjem naprijed datih veza u izraz za masu mašinskog dijela dobija se: M 2 / 3S 2 / 3 m = A ⋅ l ⋅ ρ = KW 2 / 3 ⋅ l ⋅ ρ = K ⋅l ⋅ ρ 2/3

[σ ]

⎡ A ⎤ ⎡ ρ ⎤ m = M 2/3 ⋅l ⋅ ⎢ 2/3 ⎥ ⋅ ⎢ 2/3 ⎥ ⋅ S 2/3 ⎣W ⎦ ⎣ [σ ] ⎦ pri čemu je: M = K1 ⋅ F ⋅ l, gdje je K1 – koeficijent zavistan od načina oslanjanja.

[

]

[

]

28

Uglastim zagradama izdvojene su grupe uticaja, a to su: parametri radnih uslova ⎡ A ⎤ (opterećenje i oslanjanje) M 2 / 3 ⋅ l , paramteri poprečnog presjeka ⎢ 2 / 3 ⎥ , parametri ⎣W ⎦ ⎡ ρ ⎤ zavisni od vrste materijala i uticaj stepena sigurnosti ⎢ 2 / 3 ⎥ ⋅ S 2 / 3 . ⎣ [σ ] ⎦

[

]

[

]

Ako je mašinski dio izložen savijanju, a za njegov ispravan rad mjerodavna krutost, iz izraza za ugib: f= K2 ⋅ F ⋅ l3 / E ⋅ I, gdje je K2 – koeficijent zavisan od načina oslanjanja, slijedi K ⋅ F ⋅l3 , a zatim A = K ⋅ I1/2 I= 2 E ⋅ f doz Za kružni poprečni presjek, npr. konstanta K koja definiše vezu izmedju površine presjeka i momenta inercije je: π d 2π d2 A 4 4 = = 3,5 K = 1/ 2 = 1/ 2 1/ 2 4 I π ⎛d π ⎞ ⎞ 2⎛ d ⎜ ⎟ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 64 ⎠ ⎝ 64 ⎠ Unošenjem u izraz za masu dobija se: K 1/ 2 ⋅ F 1/ 2 ⋅ l 3 / 2 m = A ⋅ l ⋅ ρ = K ⋅ I 1/ 2 ⋅ l ⋅ ρ = K ⋅ 2 1/ 2 1/ 2 ⋅ l ⋅ ρ E ⋅ f doz ⎡ A ⎤ ⎡ ρ ⎤ ⎡ 1 ⎤ m = K 21 / 2 ⋅ F 1 / 2 ⋅ l 5 / 2 ⋅ ⎢ 1 / 2 ⎥ ⋅ ⎢ 1 / 2 ⎥ ⋅ ⎢ 1 / 2 ⎥ ⎣ I ⎦ ⎣ E ⎦ ⎣ f doz ⎦

[

]

[

]

U uglastim zagradama svrstani su paramteri: radnih uslova K 21 / 2 ⋅ F 1 / 2 ⋅ l 5 / 2 , oblika ⎡ 1 ⎤ ⎡ A ⎤ ⎡ ρ ⎤ poprečnog presjeka ⎢ 1 / 2 ⎥ , materijala ⎢ 1 / 2 ⎥ i dozvoljenih deformacija ⎢ 1 / 2 ⎥ . ⎣I ⎦ ⎣E ⎦ ⎣ f doz ⎦ Na sličan način kako se rade analize za napone savijanja za kružni poprečni presjek, mogu se vršiti analize i za druge napone mašinskih dijelova, npr. uvijanje, zatezanje, pritisak, izvijanje i slično (Tabela 3.1). Suština svih ovih analiza je definisanje uticajnih faktora na masu mašinskih dijelova.

Tabela 3.1. Uticajni činioci na masu mašinskih dijelova izloženih raznim vrstama naprezanja 29

3.2.2. Izbor parametara radnih uslova Prema naprijed datoj analizi u grupu parametara radnih uslova spadaju opterećenja mašinskog dijela (F ili M), način oslanjanja (K1 ili K2) dužina mašinskog dijela, odnosno raspon oslonaca (l) i slično. Ove veličine uglavnom su definisane funkcijom koju dijelovi u konstrukciji ostvaruju, te je mogućnost izbora svedena na vrlo malu mjeru.

Opterećenje (sila ili moment) odredjuje se raspodjelom radnih otpora ili drugih uticaja na dijelove sklopa. Ukupno spoljno opterećenje ne može se mijenjati jer je definisano projektnim zadatkom dok preraspodjela unutar sklopa može. Neki dijelovi mogu biti izloženi većim silama da bi drugi trpjeli manja opterećenja. Osim toga paralelno može biti upotrebljeno više istovjetnih dijelova što omogućuje raspodjelu i smanjenje opterećenja po jednom dijelu. Promjena veličine sile na mašinskom dijelu odražava se na promjenu dimenzija, medjutim zavisnosti nisu linearne. Ako je porast sile linearan, uticaj na masu je degresivan. 4

Masa se povećava sporije i to znatno sporije pri dimenzionisanju na osnovu potrebne krutosti. Ovo se prvenstveno odnosi na naprezanja kod kojih je napon neravnomjerno rasporedjen po površini poprečnog presjeka kao što su savijanje i uvijanje. Kod zatezanja ili pritiska promjena mase, odnosno veličine mašinskog dijela ostvaruje se srazmjerno promjeni sile što se vidi sa naredne slike.

Slika 3.6 Uticaj promjene opterečenja na masu mašinskog dijela Dužina mašinskog dijela takodje je definisana funkcijom u sklopu, medjutim pri formiranju strukture može se značajno uticati na ovaj parametar. Večina argumenata je u smislu da se ova mjera što više smanji. Postiže se u prvom redu veća krutost dijelova, npr. opruga manje dužine je kruća ili vratilo sa manjim rasponom oslonaca, odnosno zbijenim elementima, ima manje deformacije. To takodje doprinosi i smanjenju količine utrošenog materijala, dijelovi su manjeg gabarita. Efekat smanjenja dužine je najveći kod dijelova izloženih savijanju jer se time smanjuje i moment savijanja, odnosno veličina poprečnog presjeka. U cjelini uzev, zbijenije i kompaktnije konstrukcije racionalnije su sa više aspekata počev od smještajnog prostora, manje potrošnje materijala, manje mase, manje potrošnje energije, ljepšeg izgleda i slično.

30

Način oslanjanja mašinskih dijelova značajan je sa više aspekata. Jedan koji je uključen u naprijed dati izraz za masu je uticaj načina oslanjanja dijelova izloženih savijanju. Izražen je koeficijentima K1 i K2 čije su veličine date u sljedećoj tabeli.

Tabela 3.2.Vrijednost koeficijenta načina oslanjanja k1 i k2 nosača izloženih savijanju Najmanji naponi i deformacije postižu se kod uklještenih nosača dok je konzola podložna velikim deformacijama, a i koeficijent napona K1 je najveći. Zato pri istoj dužini l i opterećenju F, najveće dimenzije poprečnog presjeka, a tim i masu treba očekivati kod konzole. Kod obostrano oslonjenih nosača naponi i deformacije su manje, naročito ako su na krajevima uklještenja. Uklještenje u spoju dijelova ostvaruje se zakivanjem, zavrtanjskim vezama, zavarivanjem i sličnim načinima spajanje gdje nije omogućena pokretljivost, odnosno zglobna veza. Po pravilu spojevi predstavljaju slaba mjesta. Slabljenje nastaje usljed potrebe da se izbuše otvori za zavrtnje ili zakivke ili usljed rekristalizacije materijala pri zavarivanju. Osim toga prisutni su i zaostali naponi. Uopšte uzev na mjestima spajanja potrebno je obezbjediti veći presjek. S obzirom da je takav oblik složen za izradu to se presjek povećava po cijeloj dužini mašinskog dijela, odnosno nosača. Ovakvo rješenje sa aspekta racionalnog iskorištenja mase je nepovoljno ali je prihvatljivo u poredjenju sa teškoćama i cijenom izrade nosača promjenljivog presjeka.

3.2.3. Izbor optimalnog poprečnog presjeka Masa mašinskog dijela potpuno je iskroištena ukoliko su naponi u svim tačkama zapremine isti i bliski dozvoljenom. Za naprezanja sa ravnomjernom raspodjelom napona kao što je zatezanje – pritisak, ukoliko nema koncentracije napona ovaj uslov je lakše postići. Stanje je znatno složenije kod dijelova izloženih savijanju, uvijanju, ekscentričnom pritisku, složenom naprezanju i slično, a takodje složenost konstrukcije (strukture) čini stanje kompleksnijim. Potrebno je predvidjeti raspodjelu mase tako da je ona prisutna u onim zonama gdje se očekuju napadna opterećenja, odnosno naponi.

31

Ove zone nije uvijek jednostavno predvidjeti, a često nije moguće po volji mijenjati raspored masa. S toga potpuno iskorištenje mase mašinskog dijela nije redovna pojava. Polazeći od izraza koji pokazuju od kojih veličina zavisi masa mašinskog dijela, potrebno je u što većoj mjeri smanjiti odnose A/W2/3, A/Wp2/3, A/I1/2, odnosno A/Ip1/2. Pri savijanju i uvijanju naponi po površini poprečnog presjeka rasporedjeni su tako da su najveće vrijednosti na periferiji, a u sredini (neutralnoj osi) jednaki su nuli. S toga je potrebno da se masa što više udalji od nautralne ose. Tako se za istu površinu A povećavaju otporni momenti i momenti inercije. Na sljedećim dijagramima prikazan je uticaj raspodjele mase poprečnog presjeka nosača izloženih savijanju i uvijanju.

Slika 3.7 Uticaj rasporeda mase poprečnog presjeka nosača izloženih savijanju i uvijanju

Sa dijagrama se može konstatovati da se udaljavanjem mase od neutralne ose po eksponencijalnoj funkciji se uvećava otporni moment, odnosno moment inercije. Na ovaj način značajno se smanjuju koeficijenti uticaja oblika presjeka na masu (K). Standardni profili i cijevi imaju oblik presjeka koji je prilagodjen potrebnim veličinama ovih odnosa.

32

Kod nosača koji su izloženi savijanju (sljedeća tabela) pogodniji su oni presjeci kod kojih je masa udaljenija od ose savijanja i ukoliko je ta udaljena masa veća.

Tabela 3.3 Faktori oblika standardnih profila nosača izloženih savijanju Iz ove tabele vidimo da su puni profili bilo kružni ili pravougaoni izrazito nepovoljni ako se radi o naponu savijanja. Iz tih razloga kod mašinskih konstrukcija koje su opterećene dominirajućim naponom savijanja treba koristiti ili prstenaste oblike ili neke od polufabrikata, npr. I ili [ profil. Ako je mašinski dio izložen uvijanju takodjer je pogodno da profil presjeka bude kružnog oblika, s tim da masa bude što više udaljena od ose uvijanja. U tom pogledu pokazalo se da je najpogodnije rješenje kružni prstenasti presjek što pokazuje sljedeća tabela.

Tabela 3.4 Faktori oblika profila nosača izloženih uvijanju Ize sredine presjeka dakle treba izostaviti masu, medjutim negdje je to skup proces odstranjivanja materijala pa se nekada koriste puni profili i kod savijanja i kod uvijanja. Često se kod mašinskih dijelova koji se rade rezanjem a naponska stanja su mala ne vrši uklanjanje materijala jer je neekonomično. Medjutim najveća sloboda kod konstruisanja je oblast zavarivanja. Naime limovi i profili mogu se rasporedjivati prema potrebi i raspoloživom prostoru, a veličina presjeka rebara i drugih pojačanja prilagodjava se napadnim opterećenjima kao na narednoj slici.

33

Slika 3.8 Primjer razmještaja nosečih rebara zavarenih dijelova Sa slike vidimo da smanjenjem napona mogu se smanjiti i dimenzije poprečnog presjeka zatim primjenom različitih oblika otvora, pojedini dijelovi zavarenih konstrukcija mogu se olakšati. Ovo se naročito koristi u brodogradnji, izradi dizaličnih sistema i slično. Kod livenih konstrukcija takodje postoje mogućnosti racionalnog korištenja materijala, ali je to tehnološki teže izraditi nego kod zavarivanja. Kod dijelova koji se rade deformisanjem, npr. dubokim izvlačenjem, savijanjem i slično moguće je, različitim zahvatima povećati čvrstoću i krutost dijela, npr. postavljanjem raznih ispupčenja, kanala, vijenaca i drugih oblika povećava se moment inercije i otporni moment kao na sljedećoj slici.

Slika 3.9 Izabrani oblici dijelova od tankih limova izradjeni dubokim izvlačenjem sa oblicima rebara za ukrućenje

34

Veliki stepen medjuzavisnosti oblika i veličine napona a tim i mase prisutan je kod ljuske. Ljuske su obično ispupčeni oblici od limova relativno male debljine u odnosu na prečnik, a u mašinstvu su široko zastupljeni kod posuda pod pritiskom i različitih rezervoara. Konkretno to se odnosi na danca kod različitih vrsta rezervoara, dokle danca su ljuske različitog oblika kao što je prikazano na sljedećoj slici.

Slika 3. 10 Uticaj oblika ljuske na napone u zidovima Najveći naponi vladaju kod ravnog danceta što znači da bi i debljina danceta bila vrlo velika kod velikih rezervoara. Najmanji naponi su kod polusferičnog danceta, ali zauzima mnogo prostora zato se najčešće koristi eliptični oblik gdje je debljina danceta približno jednaka debljini tijela rezervoara, a sa druge strane nije suviše ni ispupčena.Posebna oblast pod ovom tačkom je oblast lakih konstrukcija. Lake konstrukcije su ona konstrukciona rješenja za čije ispravno funkcionisanje je neophodno da masa bude mala, npr. motorno vozilo manje mase ima manju potrošnju goriva, manje inercijalne sile, ali i nedostatak što slabije prijanja za kolovoz pri većim brzinama. Isto tako kod dizaličnih sistema inercije velikih masa su štetne, a sa druge strane nije dobro ugradjivati velike mase na velikim visinama. S druge strane, laka konstrukcija isto znači i veća cijena. Ako se isključi primjena lakih legura koje su najčešće skuplje smanjenje mase postiže se izborom odgovorajućeg oblika mašinskog dijela. Iz ovih razloga potrebno je razraditi neke tehnološke principe da bi se dobila laka konstrukcija. Iz ovog slijedi zaključak da laku konstrukciju treba primjenjivati samo onda kada je to neophodno, pri ćemu ekonomski efekti nemoraju biti odlučujući. Npr. letjelice su izrazito lake konstrukcije. Obično je struktura letjelice prostorna rešetka od cijevi tankih zidova ili od tankih limova sa nizom rebara ili ojačanja čiji je zadatak da povećaju čvrstoću i krutost. Tanki limovi se najčešće koriste za letjelice u vidu zatvorenih, a naročito otvorenih nosača rešetki i slično. U toku rada su izloženi složenim naprezanjima, a prevladjuju savijanje i uvijanje. Neki primjeri ovakvih nosača dati su na sljedećoj slici. 35

Slika 3.11 Nosači i ploče od tankih limova u vazduhoplovnim konstrukcijama Problem kod primjene tankih limova je način spajanja tankih limova. Danas se to rješava djelimično zakivanjem, djelimično tačkastim zavarivanjem, ali sve većom primjenom lakih legura sve se više primjenjuje lijepljenje.

3.2.4. Izbor materijala mašinskih dijelova Materijal mašinskog dijela je bitan iz više razloga i to: čvrstoća, krutost tehnologije za izradu, cijene koštanja, mase i gabarita, radnih uslova kao što su temperatura, agresivnost sredine i slično. Iz ovih razloga razvoj mašinskih konstrukcija je direktno povezan sa razvojem materijala. Liveni materijali korišteni su medju prvima kao što je liveno gvoždje ako se izuzme bakar. Čelik je zahvaljujući svojim boljim mehaničkim karakteristikama zauzeo najveći dio prostora u mašinstvu i praktično postao osnovni mašinski materijal. Drugim materijalima preostao je samo onaj dio koji čelik zbog manjih nedostataka nije mogao da popuni. Osnovni zahtjevi koji se postavljaju u odnosu na materijal sa gledišta čvrstoće, krutosti i mase proizlaze iz njihove namjene. Tako je potrebno što veća čvrstoća i modul elastičnosti, a mala gustina. Modul elastičnosti i gustina materijala su veličine koje se nemogu značajnije mijenjati. Iz ovih razloga mi moramo ići na povećanje kritičnih napona mašinskih dijelova pri ćemu se onda povećava i nosivost po jedinici njegove mase. Kod čelika ova mogućnost postoji. Sivi liv je sa nepovoljnom strukturom u pogledu postizanja velike čvrstoće i modula

36

elastičnosti. Strutkura je obično krupnozrnasta sa relativno slabim unutrašnjim vezama pa iz ovih razloga krutost je povećana a i dijelovi bolje podnose pritisak nego zatezanje. Primjenom termičkih obrada stvaraju se uslovi da se mnogi važni i jako opterećeni dijelovi izrade livenjem, npr. dijelovi motora kao što su radilice, klupnjače i slično a zatim slijedi termička obrada. Čelici imaju znatno veću čvrstoću u odnosu na sivi liv koja je približno jednaka i za zatezanje i za pritisak. Varijacijom hemijskog sastava razvijena je široka lepeza čelika za različita područja primjene.

Obojeni metali, naročito legure kao što su bronza, mesing i slično, primjenjuju se za odredjene uslove rada i izrade dijelova, npr. bronza se koristi za klizne spojeve, a mesing je pogodan za dijelove od kojih se zahtjeva otpornost na koroziju. Lake legure poslije čelika se najčešće koriste jer im je mala gustina, a nedostatak veća cijena. Sinterovani materijali se dobijaju od metalnog praha željeza, bronze, mesinga i slično. Prah se mješa sa vezivnim sredstvima, a zatim oblikuje u dijelove presovanjem. Nakon zagrijavanja (sinterovanja) čestice praha se sljepljuju i dobijaju se porozni dijelovi dovoljno velike čvrstoće. Dobra strana svih materijala je poroznost (čuva ulje za podmazivanje i smanjuje težinu).

Kompozitni materijali su relativno novijeg datuma, a dobijaju se slojevitim impregniranjem vlakana i nemetalnih punioca. Visoke su čvrstoće, male su mase i koriste se za izradu dijelova letjelica, nedostatak im je visoka cijena. 3.2.5. Izbor graničnih uslova Medju ove uslove spadaju potreban stepen sigurnosti ili pouzdanosti krutost mašinskog dijela i slično. Stepen sigurnosti predstavlja odnos kritičnih i radnih napona. Problem kod njega je odredjivanje kritičnih napona, jer nepostoje tačni matematski modeli za njihovo odredjivanje. Pouzdanost zapravo predstavlja vjerovatnoću da u toku eksploatacije neće doći do neispravnosti mašinskih dijelova. Ukoliko je vjerovatnoća bliska 1 onda možemo konstatovati da neće doći do razaranje mašinskih dijelova. Možemo zaključiti da su područja stepena sigurnosti bliska jedna drugoj, a kao granica izmedju njih je broj blizak 1. Pouzdanost se obično obilježava sa R, a suprotno od pouzdanosti je pojam nepouzdanosti F i ona zapravo predstavlja vjerovatnoću razaranja. R=1-F Računanje pouzdanosti nekog mašinskog sistema zavisi od pouzdanosti svakog pojedinačnog mašinskog dijela i zavisi od toga da li je veza paralelno serijska ili kombinovana, kao na slici.

37

Slika 3.12 Struktura elementarnih pouzdanosti mašinskih objekata: a) redna, b) paralelna, c) kombinovana Sa slike vidimo da je paralelna veza povoljnija jer pouzdanost nekog dijela ako bude nula neće izazvati da pouzdanost sistema bude nula, ali će sistem raditi smanjenim kapacitetom. U principu radne veze se češće pojavljuju u mašinstvu mada su one nepovoljne što se tiče pouzdanosti, npr. ako pouzdanost bilo koje komponente padne na nulu tada je pouzdanost čitavog sitema takodje nula. Primjer za to je hidraulički prenosnik, npr. hidraulički prenosnik stradanjem zaptivača dolazi do ispada čitavog sistema. Pouzdanost pojedinih komponenata se uglavnom odredjuje eksperimentalnim putem, jer analitičke metode nisu zadovoljavjauće.

3.3. Oblikovanje mašinskih dijelova s obzirom na način izrade tehnologičnost U prethodnim odjeljcima pri analizi postupaka i kriterijuma za dimenzionisanje, isticana je zavisnost mnogim uticaja i parametara od načina izrade mašinskog dijela. Rasploživa tehnologija, veličina serije, oblik i veličina dijela utiču na izbor načina izrade, a način izrade na oblik. To ukazuje na kompleksnost procesa donošenja odluke o tome, koju tehnologiju primjeniti. Površine mašinskih dijelova mogu biti u dodiru sa drugim dijelovima dodirne površine i slobodne površine. Dodirne površine zahtjevaju veću tačnost i bolji kvalitet kako bi se obezbjedila ispravna funkcija, tačan položaj, sigurnost u radu i dr., dok slobodne površine mogu biti nižeg kvaliteta, a dimenzije sa većim odstupanjima. Razlika u kvalitetu i tačnosti koja se može postići pojedinim tehnologijama uslovljavaju da se izrada mašinskih dijelova vrši u dvije faze i to prethodna faza i završna. Prethodna faza sprovodi se livenjem, kovanjem, zavarivanjem, rezanjem i drugim postupcima, dok završna faza se uglavnom izvodi postupcima rezanja, tj. struganjem, glodanjem, brušenjem, provlačenjem i slično. Oblik mašinskog dijela u prvom redu zavisi od funkcije koju izvršava u sklopu, ali u značajnoj mjeri od načina izrade. Koji će postupak prethodnog oblikovanja biti primjenjen, zavisi od niza uticaja, a najvažniji su: - složenost oblika mašinskog dijela, - potrebna tačnost, - potreban kvalitet površine, - veličina mase mašinskog dijela, - ukupnog broja komad akoji treba izraditi, odnosno veličine serije, - tehnološke mogućnosti proizvodjača, - cijene izrade. Večina ovih uticaja teško se može kvantitativno vrijednovati, te je donošenje odluke o izboru tehnologije zasnovano na procjeni navedenih parametara i na zaključku konstruktora. 38

4. Analiza stanja dijelova i sklopova mašinskih konstrukcija 4.1.Radna i kritična stanja mašina i dijelova Mašine i njihovi dijelovi u toku rada izloženi su spoljnim uticajima koji se manifestuju u vidu opterećenja. Ovi uticaji odnosno opterećenja mogu biti mehanička, toplotna, hemijska, električna, itd. Najznačajnija su mehanička opterećenja. Međutim, kod nekih mašina i postrojenja isti takav značaj ili veći imaju druga opterećenja, kao što su toplotna, hemijska i sl. Pod dejstvom opterećenja u dijelovima mašina nastaju određena stanja. Mehanička opterećenja dovode do pojave naponskih stanja, odnosno stanja deformacije, toplotna opterećenja dovode do pojave toplotnih stanja i sl. Ako mašinski dijelovi u ovim stanjima ispravno izvršavaju svoju funkciju onda su to radna stanja. Ako pod tim stanjma ostvaruju promjene na dijelovima tako da oni ne mogu dalje da izvršavaju funkciju kojoj su namijenjeni takva stanja su kritična. Kritična naponska stanja, odnosno kritični naponi, dovode u prvom redu do razaranja, zatim do plastičnih deformacija a također i do prevelikih elastičnih deformacija. Razaranja mogu biti površinska i zapreminska. Površinska razaranja su habanje i zamor površinskog sloja koji se manifestuje u vidu odvajanja ljuspica (perutanje). Zapreminska razaranja su lomovi počev od statičkog do kojeg dovodi jednokratno dejstvo sile pa preko više vrsta dinamičkih lomova tj. lomova usljed zamora. Ostvarena razaranja svojim oblikom mogu pokazati kakvim stanjima je mašinski dio bio izložen i pod kojim uslovima je razaranje ostvareno, što se može vidjeti na slici 4.1.

Slika 4.1 Vrste razaranja mašinskih dijelova

4.2.Radna opterećenja i naponi u uslovima eksploatacije Spoljni uticaji koji se mjere opterećenjem slučajnog su karaktera. Radni otpori koje mašina savladava vršeći koristan rad zavise od niza uticaja kao što su karakteristike materijala koji se obrađuje, radni režimi, rukovanje i dr. Jedna mašina može se koristiti za obradu odnosno preradu materijala različitih karakteristika. Osim toga, veličine ovih otpora ne mogu biti unaprijed poznate, nije moguće precizno utvrditi ni učešće pojedinih veličina otpora u toku radnog vijeka mašine. Velika opterećenja mogu biti samo povremena pojava, a u nekim uslovima eksploatacije znatno učestalija. Pri praktičnom određivanju opterećenja moguća su dva pristupa. Prvi je da se analitičkim putem približno izračuna veličina opterećenja, pretpostavi način promjene u toku rada mašine, a drugi je da se izvrši mjerenje u toku eksploatacije. Promjena napona u mašinskom dijelu može se poklapali sa 39

promjenom opterećenja, a može biti i različita. Ima više primjera gdje je pri konstantnom opterećenju napon promjenljiv. Naponi u dijelovima ležaja usljed obrtanja su promjenljivi iako je sila na ležaju stalne veličina, naponi usljed savijanja su sa naizmjeničnom promjenom zbog obrtanja iako su sile na vratilu stalne veličine. Promjene napona su znatno složenije ako su opterećenja promjenljiva. Mjerenje opterećenja odnosno radnih napona vrši se neposredno na dijelovima konstrukcije pri radu u izabranim uslovima eksploatacije. Postupak mjerenja sastoji se u pretvaranju dilatacije karakterističnih dijelova konstrukcije u mjerljivu električnu veličinu. Ovo pretvaranje ostvaruje se pomoću mjernih traka, tj. primjenom eksperimentalne tenzometrijske metode. Principijelna šema mjerenja dilatacija pomoću mjernih traka data je na slici 4.2.

Slika 4.2 Principijelna šema mjerenja dilatacija pomoću mjernih traka Mjerna traka je osjetljivi zmijoliki provodnik koji se zajedno sa specijalnom folijom lijepljenjem nanosi na mašinski dio. Ona istovremeno čini jednu granu Vistonovog mosta. Pod dejstvom sile na mašinski dio, izdužuje se ili sabija provodnik u mjernoj traci mijenjajući pri tome otpor. Usljed promjene otpora pri proticanju struje remeti se ravnoteža Vistonovog mosta, a promjenu registruje galvanometar, tj. dobijamo vrijednost dilatacije

ε = Δl / l . Množenjem sa modulom elastičnosti dobija se napon i izračunava se sila ili moment F = σ ⋅ A ili M = σ ⋅ W .

Na ovaj način uspostavlja se veza između napona i opterećenja.

Slika 4.3 Primjer primjene tenzometrije kod modelnih ispitivanja 40

4.3 Analiza raspodjele napona u mašinskom dijelu Utvrđivanje ekstremne veličine napona zahtijeva poznavanje odnosno utvrđivanje raspodjele napona u mašinskom dijelu. Osim ekstremnih vrijednosti značajne su i druge veličine napona s obzirom da razaranja ne moraju uvijek nastupiti na mjestima najvećih napona. Raspodjela napona, sa različitim stepenom tačnosti, utvrđuje se na nekoliko načina. Lokalne veličine napona mogu se utvrditi pomoću faktora koncentracije napona i nominalnih vrijednosti koje se izračunaju na osnovu jednačina iz otpornosti materijala. Nedostatak ovog pristupa je što se ne daje predstava o stanju napona na cijeloj zapremini i izrazi iz otpornosti materijala važe za idelizovane uslove, a faktori koncentracije napona su približne veličine. Zbog jednostavnosti postupka izračunavanja dosta je u primjeni. Eksperimentalni pristup omogućava da se dobije naponska slika u cijelom mašinskom dijelu.

Metoda krtog laka omogućava da se utvrdi raspodjela napona bez mogućnosti dobijanja i veličine napona. Mašinski dio se premaže specijalnim krtim lakom, a zatim nakon sušenja izloži opterećenju. Usljed deformacija u laku nastaju prskotine. Tamo gdje su prskotine gušće naponi su veći i obrnuto. Ovim jednostavnim postupkom dobija se naponska slika u dijelovima vrlo složenog oblika. Fotoelastičnom metodom osim raspodjele napona u mašinskom dijelu se dobija i veličina napona u pojedinim tačkama. U odnosu na prethodnu, ova metoda je složenija. Potrebno je izraditi model mašinskog dijela od specijalne plastične mase aroldita. Kada se model optereti i propusti polarizovana svijetlost, naponske linije postaju vidljive. Mogu se snimati i fotografisati na osnovu gustine izračunati veličine napona.

Slika 4.4: Primjer primjene fotoelastične metode

41

Metoda konačnih elemenata omogućava da se primjenom računara dobiju veličine napona ili deformacija u cijelom mašinskom dijelu, slično eksperimentalnim postupcima, međutim uz znatno više podataka. Usljed složenosti i obimnosti postupka, ova metoda tek u novije vrijeme dobija širu primjenu i to zahvaljujući višem stepenu razvijenosti računara i razrađenim programima za njihovo izvođenje. Generisanje mreže konačnih elemenata ostvaruje se korišćenjem solid-modeliranih oblika mašinskih dijelova. Ovi modeli sadrže podatke (koordinate) tačaka na površinama i u unutrašnjosti. To omogućava da se korišćenjem gotovog programa i formiranog solidmodela automatski generiše mreža konačnih elemenata. Naponi, odnosno deformacije izračunavaju se u čvornim tačkama. Ukoliko je mreža konačnih elemenata sitnija, odnosno čvorne tačke gušće, manja je mogućnost da izmedju dvije tačke ostane mjesto gdje je napon ekstremno velik. Veliki broj konačnih elemenata povećava obim izračunavanja, povećava vrijeme rada računara i obim pripreme. Radi postizanja potrebnog nivoa tačnosti, s tim da se obim rada računara ne uveća previše, generiše se mreža konačnih elemenata nejednake veličine. Na mjestima gdje se očekuju povećani naponi, tj. koncentracija napona mreža je sitnija i obrnuto, gdje se ne očekuje značajnija promjena u naponu, može se velič ina konačnog elementa dosta povećati.

Slika 4.5 Mreža konačnih elemenata nejednake veličine sa sitnijim konačnim elementima u zoni koncentracije napona Formiranje matričnih jednačina stanja u čvornim tačkama ostvaruje se na osnovu relacija iz teorije elastičnosti. Osnovu predstavlja Hukov zakon po kome je veza izmedju napona i deformacije linearne sa koeficijentom medjuzavisnosti koji je jednak modelu elastičnosti E:

σ = E ⋅ε Naponi i deformacije su veličine definisane pomoću više parametara, za ravansko naponsko stanje pomoću tri parametra, a za prostorno pomoću šest parametara. Uzimajući u obzir i broj čvorova u jednoj diskretizovanoj strukturi dobija se vrlo veliki broj jednačina ravnoteže. S toga je potrebno da se napišu u matričnom obliku. Primjenom metode pomjeranja, definišu se na sljedeći način. 42

- Jednačina ravnoteže

[K ] ⋅ {δ } = {F } pogodna je za izračunavanje sila na spoljnim konturama, dodirima dijelova i sl. Za poznate spoljne sile na konturama odredjuju se pomjeranja u čvornim tačkama δ . - Jednačina za definisanje stanja napona i deformacija je

σ = [D ] ⋅ {ε } = [D ] ⋅ [B ] ⋅ {δ } jer je,

{ε } = [B] ⋅ {δ } i koristi se za odredjivanje napona, odnosno deformacija u čvornim tačkama konačnih elemenata.

[B]

- veza izmedju dilatacija ε i pomjeranja δ u čvornim tačkama uspostavlja se pomoću matrice za diferenciranje pomjeranja [B ] Za višečvorne elemente i za složenu strukturu, matrica krutosti [K ] postaje složenija i velika. Simetrična je i pojasnog oblika. Širina pojasa zavisi od složenosti strukture, načina podjele, broja konačnih elemenata kao i od načina podjele i numeracije čvorova i elemenata.

43

Slika 4.6 Primjeri primjene metode konačnih elemenata

44

Slika 4.7 Primjer primjene metode konačnih elemenata – CATIA V5

4.4. Analiza dinamičkih stanja mašinskih konstrukcija 4.4.1. Dinamička svojstva mašinskih konstrukcija U toku rada, mašina je izložena spoljnim i unutrašnjim dinamičkim uticajima koji dovode do odredjenog dinamičkog ponašanja. Sa aspekta konstruisanja važne su dvije grupe svojstava formiranog konstrukcionog rješenja. Prvu grupu čine svojstva vezana za stvaranje dinamičkih poremećaja izazvani radom objekta, a vrlo je bitno pod kojim uslovima nastaju i kakve su karakteristike tog poremećaja. Drugu grupu obuhvataju karakteristike objekta sa aspekta osjetljivosti na pobudu. Tu spadaju svi oni činioci koji definišu frekvencijsku karakteristiku sistema kao što su krutost, prigušenje, masa i slično. Dejstvom poremećajnih sila, koje su nastale u mašini ili su iz spoljne sredine, stvara se talasno kretanje čiji se efekti manifestuju u vidu vibracija i buke. Jedan od ciljeva koje treba postići pri konstruisanju je da se dobiju mirne i tihe mašine, tj. da svojim radom ne stvaraju dinamičke poremećaje i nisu osjetljive na pobudu ako do nekih poremećaja i dodje. Za postizanje najpovoljnijih dinamičkih odnosa potrebna je analiza konstrukcije sa aspekta pobude i osjetljivosti na pobudu.

4.4.2. Dinamička osjetljivost dijelova i sklopova mašinske konstrukcije Analiza uticaja poremećajnih sila na vibracije dijelova i sklopova mašinskih konstrukcija, moguća je tek pošto se realna konstrukciona rješenja prevedu u model pogodan za tu svrhu. Modeliranje podrazumjeva isticanje važnih karakteristika za odgovarajuću analizu nad drugim koje za ta razmatranja nisu od značaja, time se dobija model koji omogućava teoretska razmatranja odvijanja procesa u sistemu. Oblici i veličina dijelova nisu značajni, te se u modelu prikazuju u vidu pravougaonika ili cilindričnih tegova odgovarajuće mase. Elastičnost u modelu se prikazuje oprugom, koja je 45

simbol elastične veze dijelova u dodiru. Pomjeranjima se suprostavljaju sile otpora, odnosno prigušenja prije svega u spojevima dijelova. Prigušenje u modelu predstavlja se klipnim parom, a odnosi se na sve otpore koji teže da zaustave kretanje. U proizvoljnom trenutku vremena na mašinski dio djeluje inercijalna sila m&x& , sila u elastičnoj vezi cx, sila prigušenja bx& i pobude F(t).

Slika 4.6 Oscilatorni model u vidu sistema tjela sa konačnim brojem stepena slobode

m1 &x& + b1 x&1 + b2 ( x&1 − x& 2 ) + b3 ( x&1 − x& 3 ) + c1 x1 + c 2 ( x1 − x 2 ) + c3 ( x1 − x3 ) = F (t ) m2 &x&2 − b2 ( x&1 − x& 2 ) − c 2 ( x1 − x 2 ) = 0

m3 &x&3 − b3 ( x&1 − x& 3 ) − c3 ( x1 − x3 ) = 0

46