Razvoj nosilca za vpetje ekstenziometra

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Razvoj nosilca za vpetje ekstenziometra

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

Aleks Reba

Ljubljana, september 2021

(2)

(3)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Razvoj nosilca za vpetje ekstenziometra

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

Aleks Reba

Mentor: doc. dr. Andrej Žerovnik, univ. dipl. inž.

Ljubljana, september 2021

(4)

(5)

Zahvala

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Andreju Žerovniku, ki me je s svojimi znanji, izkušnjami ter nasveti usmerjal na pravo pot pri izdelavi diplomskega dela.

Zahvaljujem se Inštitutu za kovinske materiale in tehnologije ter vsem zaposlenim, ki so mi pomagali pridobiti vse potrebne mere in slike ter bili v veliko pomoč pri razumevanju problema.

Zahvalil bi se še družini za podporo v času študija.

(6)

(7)

Izvleček

UDK 620.172:531.7:62-229(043.2) Tek. štev.: UN I/1554

Razvoj nosilca za vpetje ekstenziometra

Aleks Reba

Ključne besede: natezni preizkus ekstenziometer nosilec

razvojno konstrukcijski proces koncipiranje

Pri enoosnem nateznem preizkusu se za merjenje raztezka oz. skrčka preizkušanca uporablja ekstenziometer, ki pa ga je potrebno ustrezno pritrditi na preizkušanec. Na Inštitutu za kovinske materiale in tehnologije se pri ekstenziometru za merjenje deformacij pri povišani temperaturi uporablja metoda z vrvicami, ki pa ni najbolj učinkovita. Naša naloga je bila razviti napravo, ki bo zmožna ustrezno pritrditi ekstenziometer na preizkušanec, hkrati pa bo enostavna in hitra za uporabo. Najprej je bilo potrebno določiti vse zahteve in želje s strani Inštituta, nato pa smo s pomočjo razvojno konstrukcijskega procesa koncipirali naš izdelek. Na koncu smo izdelali glavno risbo konstrukcije.

(8)

Abstract

UDC 620.172:531.7:62-229(043.2) No.: UN I/1554

Development of beam for extensometer attaching

Aleks Reba

Key words: tensile test extensometer beam

development and construction process conception

In the uniaxial tensile test, an extensometer is used to measure the elongation or the contraction of the test piece, which must be properly attached to the test piece. At the Institute of Metallic Materials and Technologies, the string method is used on the extensometer for measuring deformations at elevated temperatures, which isn't the most effective. Our task was to develop a device, that will be able to properly attach the extensometer to the test piece, while at the same time being easy and quick to use. First, it was necessary to determine all the requirements and wishes of the Institute, then we conceptualized our product with the help of the development and construction process. In the end, we prepared the main drawing of the structure.

(9)

Kazalo

Kazalo slik ... xii

Kazalo preglednic ... xiv

Seznam uporabljenih simbolov ... xv

Seznam uporabljenih okrajšav ... xvi

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 1

2 Pregled dela ... 2

2.1 Pregled stanja ... 2

2.2 Koncipiranje in zasnova ... 2

2.3 Dimenzioniranje ... 3

2.4 Ekonomska ocena ... 3

3 Pregled stanja ... 4

3.1 Preizkuševališče ... 4

3.2 Pregled literature ter priporočil izdelovalca ekstenziometra ... 5

3.3 Pregled že obstoječih rešitev ... 6

4 Teoretične osnove ... 8

4.1 Natezni preizkus ... 8

4.2 Ekstenziometer ... 10

5 Proces zasnove nosilca ... 11

5.1 Tabela specifikacij ... 11

5.1.1 Opis zahtev in želja ... 12

5.2 Delne funkcije ... 14

(10)

5.2.3 Zagotavljanje pozicije ... 15

5.2.4 Zagotavljanje pritrditve nosilca ... 15

5.3 Morfološka matrika ... 16

5.4 Sinteza konceptov ... 16

5.4.1 Vpetje ekstenziometra (K1) ... 16

5.4.1.1 Koncept 1 (K1.1) ... 17

5.4.1.2 Koncept 2 (K1.2) ... 18

5.4.1.3 Primerjava konceptov vpetja ... 19

5.4.2 Zagotavljanje sile prednapetja (K2) ... 19

5.4.2.1 Koncept 1 (K2.1) ... 19

5.4.2.2 Koncept 2 (K2.2) ... 20

5.4.2.3 Koncept 3 (K2.3) ... 20

5.4.2.4 Koncept 4 (K2.4) ... 21

5.4.2.5 Primerjava konceptov za zagotavljanje sile ... 21

5.4.3 Pritrditev nosilca (K3) ... 22

5.4.3.1 Koncept 1 (K3.1) ... 22

5.4.3.2 Koncept 2 (K3.2) ... 23

5.4.3.3 Koncept 3 (K3.3) ... 23

5.4.3.4 Primerjava konceptov za pritrditev ... 24

5.4.4 Zagotavljanje pozicije (K4) ... 24

5.4.4.1 Koncept 1 (K4.1) ... 24

5.4.4.2 Koncept 2 (K4.2) ... 25

5.4.4.3 Primerjava konceptov za pozicioniranje ... 25

5.5 Končni koncept izdelka ... 25

5.5.1 Končni koncept 1 ... 26

5.6 Ocena konceptov ... 29

5.6.1 Tehnična ocena ... 29

5.6.2 Ekonomska ocena ... 30

5.6.3 Izbira koncepta ... 30

5.7 Izbira vzmeti ... 32

5.7.1 Karakteristika vzmeti ... 32

6 Rezultati in diskusija ... 34

6.1 Podroben geometrijski model ... 34

6.1.1 Vpetje na steber ... 35

6.1.2 Sklep nosilca ... 36

6.1.3 Zagotavljanje sile ... 37

6.1.4 Vpetje ekstenziometra ... 38

6.1.5 Dokumentacija ... 40

(11)

6.2 Analiza statične nosilnosti ... 42

6.3 Stroškovna analiza ... 44

6.3.1.1 Cena kupljenih komponent ... 44

6.3.1.2 Cena prilagojeno izdelanih komponent ... 44

6.3.2 Ocena stroškov ... 45

7 Zaključki ... 46

Literatura ... 47

(12)

Kazalo slik

Slika 3.1: Dimenzije preizkuševališča Instron 8802 [1] ... 4

Slika 3.2: Pritrditev ekstenziometra na vzorec s pomočjo vrvic ... 5

Slika 3.3: Pritrditev ekstenziometra na vzorec z vzmetnim nosilcem [2] ... 6

Slika 3.4: Model 3549 [2] ... 6

Slika 3.5: Model 3549 - zagotavljanje sile [2]... 7

Slika 3.6: Model 3549 ter njegovo držalo ... 7

Slika 4.1: Standardni preizkušanec [3] ... 8

Slika 4.2: Diagram sile v odvistnosti od raztezka [3] ... 9

Slika 4.3: Geometrijski model ekstenziometra z oznako 2623-055 proizvajalca Instron ... 10

Slika 5.1: Koncept K1.1 – pogled 1 ... 17

Slika 5.4: Koncept K1.2 - pogled 2 ... 18

Slika 5.5: Koncept K2.1 ... 19

Slika 5.14: Končni koncept 1 - pogled 1 ... 26

Slika 5.16: Končni koncept 2 ... 27

Slika 5.19: Graf relativne ekonomske in tehnične vrednosti končnih konceptov ... 31

Slika 5.20: Karakteristika vzmeti [6] ... 32

Slika 5.21: Dimenzije vzmeti [6] ... 33

Slika 6.1: Podroben geometrijski model - pogled 1 ... 34

Slika 6.11: Pravilno vpetje ležajev [8]... 39

Slika 6.13: Eksplozijski pogled ... 40

Slika 6.14: Robni pogoji simulacije ... 42

Slika 6.15: Rezultati simulacije - napetosti ... 43

(13)

Slika 6.16: Rezultati simulacije - upogibi ... 43 Slika 6.17: Rezultat modalne analize ... 44

(14)

Kazalo preglednic

Preglednica 1: Specifikacije izdelka ... 11

Preglednica 2: Morfološka matrika ... 16

Preglednica 3: Tehnična ocena konceptov ... 29

Preglednica 4: Ekonomska ocena konceptov ... 30

Preglednica 5: Dimenzije vzmeti ... 32

Preglednica 6: Kosovnica ... 41

(15)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

K / koncept delne funkcije

KK / končni koncept

TKi / tehnična ocena idealnega končnega koncepta

TK / tehnična ocena končnega koncepta

TKR / relativna tehnična ocena končnega koncepta EKi / ekonomska ocena idealnega končnega koncepta

EK / ekonomska ocena končnega koncepta

EKR / relativna ekonomska ocena končnega koncepta

OKR / povprečna vrednost relativne ekonomske in tehnične ocene končnega koncepta

R / vzmetna karakteristika

d mm premer žice vzmeti

De mm zunanji premer vzmeti

D mm srednji premer vzmeti

Di mm notranji premer vzmeti

L0 mm dolžina vzmeti

n / št. ovojev vzmeti

Dd mm premer vodilnega trna za vzmet Dh mm premer vodilnega ohišja za vzmet Ln mm najmanjša dovojena dolžina vzmeti Fn N največja dovoljena sila na vzmet

(16)

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

IMT Inštitut za kovinske materiale in tehnologije ISO Mednarodna organizacija za standarde DIN Nemški inštitut za standardizacijo

(17)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Pri izvajanju enoosnih nateznih preizkusov se lahko za natančno merjenje raztezka merilnega območja vzorca uporablja več različnih metod. Na Inštitutu za kovinske materiale in tehnologije (IMT) med drugim uporabljajo tudi kontaktne ekstenziometre. Za teste pri povišani temperaturi se uporablja specialni ekstenziometer za delo pri povišanih temperaturah z oznako 2623-055 proizvajalca Instron. Ekstenziometer je potrebno ročno pritrditi na vzorec ter zagotoviti primerno pritisno silo. Pri tem se uporabljajo namenske vrvice, ki jih je potrebno ročno oviti okoli preizkušanca in nato priviti, kar pa povzroča veliko težav in dela pri vpenjanju in izpenjanju. Problem se pojavi v prepletanju vrvic ter počasni menjavi vzorcev, saj je potrebno med vsakim vzorcem odstraniti in nato ponovno pritrditi ekstenziometer. Poleg tega je potrebno pri vsaki menjavi preizkušanca peč umakniti, kar pomeni, da jo moramo nato pri novem vzorcu spet segrevati.

1.2 Cilji

Namen te naloge je nadomestiti vrvice s togim, bolj praktičnim sistemom, ki bo omogočal hitro menjavo vzorcev, ne da bi bilo potrebno odmakniti peč. Ugoditi je potrebno mnogo zahtevam. Ena izmed večjih je zagotoviti pravilno silo prednapetja na tak način, da jo lahko uporabnik sam preprosto prilagodi svojim potrebam. Potrebno je tudi zagotoviti pravilno vpetje ekstenziometra, saj mora le ta imeti zagotovljene ustrezne prostostne stopnje, da lahko iz njega pridobimo verodostojne meritve. Nastane tudi problem vibracij, saj lahko te vplivajo na izmerjene veličine, zato je potrebno zagotoviti dovolj tog nosilec in ustrezno pritrditev na izbrani del stroja. Sistem mora zagotavljati vsem zahtevam in željam IMT, zato je kvaliteta izdelka pomembnejša kot cena izdelave, kljub temu pa bomo, kjer je to mogoče, še vedno poskusili uporabiti čim več standardnih in kupljenih komponent. Za ustrezno in učinkovito rešitev je najprej potrebno izvesti pregled stanja ter teoretičnih osnov, čemur sledi razvojno konstrukcijski proces izdelave konceptov in podroben geometrijski model. Na podlagi tega modela bomo na koncu izdelali še potrebno tehnično dokumentacijo.

(18)

2 Pregled dela

Cilj diplomske naloge je razviti mehanski nosilec za ekstenziometer, ki bo zagotavljal kvalitetno in hitro izvedbo meritev pri povišani temperaturi na preizkuševališču Instron 8802. V delu je predstavljen pregled stanja, nato se izvede koncipiranje in zasnova ter dimenzioniranje nosilca. Sledi še izdelava tehnične dokumentacije in končna ekonomska ocena izdelka.

2.1 Pregled stanja

Preden začnemo snovanje novega izdelka je potrebno opraviti podroben pregled stanja s pomočjo katerega lahko najdemo mnogo pomembnih informacij, ki nam bodo pomagale zasnovati kvaliteten izdelek. Pregled stanja bomo izvedli na dveh glavnih področjih:

 Pregled literature ter priporočil izdelovalca ekstenziometra Instron

 Pregled že obstoječih rešitev

2.2 Koncipiranje in zasnova

Začnemo z osnovno idejo o načinu vpetja, podano s strani IMT nato nadaljujemo s specifikacijami izdelka ter razdelitvijo glavne funkcije na več delnih funkcij. Na podlagi pridobljenih specifikacij nato izdelamo koncepte za vsako od delnih funkcij. Paziti moramo, da koncepti ne samo dobro izvajajo svoje funkcije temveč, da se tudi skupaj povezujejo v delujoč in celoten izdelek, saj lahko izbira enega koncepta močno vpliva na delovanje drugega. Te koncepte nato med seboj primerjamo na podlagi tehnične in ekonomske ocene ter izberemo najboljšega za nadaljnji razvoj.

(19)

Pregled dela

2.3 Dimenzioniranje

Po izdelavi konceptov je potrebno določiti točne dimenzije za vsak sestavni del izdelka. Da to lahko storimo moramo najprej poznati vse maksimalne obremenitve, ki jih bo nosilec prenašal, ter podrobno kinematiko izdelka. Nadaljnje je potrebno tudi določiti materiale ter vse uporabljene standardne dele. Z vsemi temi informacijami bomo lahko dimenzionirali vsak koncept posebej in nato izdelali podroben geometrijski računalniški model, kjer bomo tudi sestavil vse komponente v celoten izdelek. Na koncu bomo s pomočjo računalniškega modela izdelali še tehnično dokumentacijo izdelka.

2.4 Ekonomska ocena

Na osnovi dimenzij in materialov vseh komponent ter izdelane kosovnice bomo ocenili okvirno ceno izdelave konstrukcije.

(20)

3 Pregled stanja

Preden nadaljujemo s konstruiranjem je potrebno pridobiti čim več informacij, ki nam bodo pomagale pri zasnovi našega izdelka. Največ se lahko naučimo iz že obstoječih rešitev za podobne primere.

3.1 Preizkuševališče

Kot rečeno, na IMT izvajajo natezne preizkuse na servohidravličnem sistemu za testiranje utrujenosti 8802 podjetja Instron. Ker je potrebno obliko ter dimenzije našega izdelka prilagoditi preizkuševališču, najprej potrebujemo dimenzije preizkuševališča. Nekaj dimenzij je podanih s strani proizvajalca, ostale pa je bilo potrebno pomeriti. Za nas ključne dimenzije preizkuševališča so podane na sliki 3.1.

Slika 3.1: Dimenzije preizkuševališča Instron 8802 [1]

(21)

Pregled stanja

3.2 Pregled literature ter priporočil izdelovalca ekstenziometra

Podjetje Instron v priročniku za naš ekstenziometer predlaga dve različni vrsti vpetja. Prva je seveda metoda z vrvicami prikazana na sliki 3.2, ki jih lahko privijemo s poljubno silo in tako zagotavljamo pravilno silo prednapetja, hkrati pa tudi ne omejujejmo prostega gibanja ekstenziometra. To metodo na IMT že uporabljajo ter bi jo radi zamenjali, saj je potrebno relativno veliko truda, da vrvice nastavimo pravilno, hkrati pa je potrebno med vsako menjavo vzorca ponovno segrevati peč.

Slika 3.2: Pritrditev ekstenziometra na vzorec s pomočjo vrvic

Druga metoda predlagana s strain podjetja Instron, prikazana na sliki 3.3 [2], pa uporablja dve nekoliko daljši palčki, ki sta na enem koncu vpeti v ekstenziometer na drugem pa v mehanizem z dvema konzolnima vzmetema, s katerima kontroliramo silo vpetja, vse skupaj pa je pritrjeno na eno od stranic peči. Ta metoda nam poda enega izmed načinov vpetja našega izdelka na natezni stroj, in sicer preko peči. Problem takega vpetja lahko nastane pri prenašanju vibracij povzročenih med nateznim preizkusom na ekstenziometer, kar lahko pokvari pridobljene podatke. Konstrukcija peči ni dovolj toga in vibracije se prekomerno lahko prenašajo na eksteziometer.

(22)

Pregled stanja

Slika 3.3: Pritrditev ekstenziometra na vzorec z vzmetnim nosilcem [2]

3.3 Pregled že obstoječih rešitev

Na inštitutu za kovinske materiale in tehnologije imajo več nateznih strojev. Na enem izmed njih se uporablja visoko temperaturni vgradni ekstenziometer Epsilon Model 3549, ki deluje na soroden način kot ekstenziometer na Instronu 8802 in je prikazan na sliki 3.4.

Slika 3.4: Model 3549 [2]

Ekstenziometer Epsilon Model 3549 že vsebuje pravilno vpetje merilnega dela ekstenziometra, kot tudi zagotavljanje sile prednapetja prikazano na sliki 3.5.

(23)

Pregled stanja

Slika 3.5: Model 3549 - zagotavljanje sile [2]

Naš ekstenziometer ne vsebuje celotnega vpetja ter mehanizma za zagotavljanja sile, zato ju bomo morali izdelati sami. Da potrdimo, če smo pravilno določili smeri v katerih mora imeti ekstenziometer prosto gibanje, lahko preverimo, katere stopnje prostosti zagotavlja vpetje na Modelu 3549 čeprav je mehanizem na tem modelu sicer nekoliko kompleksnejši, kot si ga želimo izdelati mi. Iz tega modela lahko dobimo tudi ideje o mehanizmu za zagotavljanje sile, ki tu deluje s pomočjo natezne vzmeti, ki se jo napne z ročnim potiskanjem desnega dela vpetja po alu vodilu proti preizkušancu. Tak način zagotavljanja sile prednapetja je mnogo enostavnejši za izvedbo, najbolj ekonomičen ter veliko bolj prostorsko učinkovit kot bi bil na primer hidravlični oziroma pnevmatični sistem.

Nosilec za Model 3549, prikazan na sliki 3.6, je izdelan iz aluminija in omogoča rotacijo v členku ter rotacijo okoli stebra na katerega je pritrjen.

(24)

4 Teoretične osnove

V nadaljevanju si bomo ogledali in razjasnili nekaj teoretičnih osnov, ki so ključne za izdelavo delujočega izdelka. Potrebno je poznati potek nateznega preizkusa ter podatke, ki jih želimo iz njega pridobiti. Le tako je možno natančno razumeti delovanje ekstenziometra.

Ta znanja pa nam bodo prav prišla pri izbiri načina vpetja ekstenziometra na naš nosilec, saj lahko z napačnim vpetjem popolnoma preprečimo delovanje ekstenziometra oziroma pokvarimo z njim pridobljene podatke.

4.1 Natezni preizkus

Natezni preizkus rečemo postopku, s katerim preverjamo natezno trdnost, modul elastičnosti in napetost tečenja materiala. Pridobljene vrednosti in podatke o materialu so zelo uporabne pri raznih izračunih in trdnostni analizi konstrukcijskih elementov.

Postopek se izvaja s standardnim preizkušancem iz izbranega materiala, prikazanega na sliki 4.1, ki ga vpnemo v natezni stroj.

Slika 4.1: Standardni preizkušanec [3]

(25)

Teoretične osnove

V našem primeru se za natezni preizkus uporablja enoosno servohidravlično preizkuševališče Instron 8802. Pri izvajanju testa vzorec obremenimo z enoosno natezno obremenitvijo. Ko je vzorec izpostavljen natezni obremenitvi, se material na začetku deformira elastično in nam daje linearno razmerje med obremenitvijo ter raztezkom, naklon te premice pa določa modul elastičnosti. Če nadaljujemo z višanjem natezne obremenitve se material začne deformirati plastično, kar pomeni, da več ne sledi Hookovemu zakonu in krivulja obremenitev-raztezek ni več linearna. Krivulja je prikazana na sliki 4.2. Material se med obremenjevanjem oža in razteguje v smeri obremenitve, dokler ne pride do pretrga.

Takrat se natezni preizkus zaključi [4].

Slika 4.2: Diagram sile v odvistnosti od raztezka [3]

Za določitev vseh lastnosti materiala kot je modul elastičnosti moramo med preizkusom meriti natezno silo kot tudi raztezek preizkušanca. Za merjenje raztezka se v praksi uporablja mnogo različnih pripomočkov in naprav. V našem primeru na IMT uporabljajo natični ekstenziometer z oznako 2623-055 podjetja Instron.

(26)

Teoretične osnove

4.2 Ekstenziometer

Kot že omenjeno je ekstenziometer naprava, ki meri raztezke preizkušanca pri nateznem preizkusu. V našem primeru se uporablja natični ekstenziometer, ki se dotika vzorca z dvema keramičnima paličicama. S pritisno silo zagotovimo silo trenja med paličicama ter vzorcem, posledično paličici sledita točkam na preizkušancu med raztezanjem. To povzroči deformacijo merilnega dela ekstenziometra, kar privede do spremembe napetosti merilnih lističev. Podatke o spremembi napetosti pošljemo preko el. vodnika v računalnik, kjer izvedemo analizo ter določimo raztezek preizkušanca. Geometrijski model ekstenziometra je prikazan na sliki 4.3.

Slika 4.3: Geometrijski model ekstenziometra z oznako 2623-055 proizvajalca Instron

(27)

5 Proces zasnove nosilca

Proces zasnove bo potekal v treh glavnih fazah:

 Opredelitev naloge: V obliki tabele specifikacij, zahtev in želja podamo potrebne informacije, s katerimi si kasneje pomagamo pri zasnovi.

 Zasnova izdelka: V tej fazi je želja razviti čim več primernih konceptov s kombinacijo rešitev za vsako od delnih funkcij, ki jih med seboj primerjamo ter izberemo najboljšega glede na tehniško ter ekonomsko oceno.

 Snovanje izdelka: Izdelek detajliramo ter razvijemo do končne oblike, izdelamo kosovnico in izvedemo analizo statične nosilnosti, modalno analizo ter stroškovno analizo.

5.1 Tabela specifikacij

Proces snovanja začnemo s tabelo specifikacij (preglednica 1), v kateri podamo vse zahteve in želje, ki jih mora izpolnjevati naš končni izdelek. Zahteve in želje ovrednotimo glede na pomembnost izpolnitve od 1 (nepomembno) do 5 (najpomembnejše). Zahtevam in željam z višjo oceno pomembnosti moramo posvetiti več pozornosti, da bo izdelek čim bolj kakovosten.

Preglednica 1: Specifikacije izdelka

Št. Specifikacija Pomembnost Zahteva Želja

1 Toga konstrukcija 5 X

2 Enostavna in hitra uporaba 4 X

3 Brez vplivov na rezultate meritev ekstenziometra

5 X

4 Nastavljiva sila prednapetja 5 X

5 Možnost nastavitve višine 5 X

6 Možnost postavitve peči okoli ekstenziometra 5 X

7 Sposobnost delovanja pri povišanih 5 X

(28)

Proces zasnove nosilca

9 Uporaba standardnih elementov 2 X

10 Cenovno ugoden izdelek 2 X

11 Zagotoviti ustrezen prostor za el. vodnik 5 X

12 Varna uporaba 5 X

13 Dolga življenjska doba 3 X

14 Enostavno vzdrževanje 2 X

15 Izgled 1 X

Opazimo, da smo vsem zahtevam priredili pomembnost 5, saj le te določajo funkcionalnost izdelka, medtem ko smo željam priredili nižjo pomembnost, kar pomeni da jim bomo posvetili manj pozornosti. Če niso izpolnjene popolnoma vse zahteve, izdelek postane nefunkcionalen, zatorej se bomo osredotočali na izpolnjevanje le teh.

5.1.1 Opis zahtev in želja

 Toga konstrukcija:

Stroj za izvajanje nateznega preizkusa pri višjih frekvencah obremenjevanja povzroča vibracije, ker pa je naš nosilec pritrjen na ta stoj, lahko te vibracije potujejo vse do ekstenziometra in s tem pokvarijo pridobljene podatke. Celotna konstrukcija izdelka mora biti dovolj toga in imeti togo vpetje. S tem povečamo lastno frekvenco konstrukcije in posledično zmanjšamo oziroma izničimo vpliv resonance.

 Enostavna in hitra uporaba:

Čeprav je enostavna in hitra uporaba označena kot želja, smo ji pripisali relativno visoko pomembnost, saj je le ta celoten razlog za začetek konstruiranja tega izdelka. Kot že omenjeno imajo na IMT že funkcionalno metodo za vpetje ekstenziometra, vendar ta ni praktična in enostavna za uporabo.

 Brez vplivov na rezultate meritev ekstenziometra:

Kot že omenjeno lahko vibracije pokvarijo merilne rezultate, vendar se pri tej specifikaciji bolj osredotočamo na vpetje ekstenziometra na naš nosilec. Zaradi narave ekstenziometra in njegovega delovanja moramo zagotoviti prosto gibanje v navpični smeri, ter rotacijo vsake od keramičnih palčic okoli merilnega dela ekstenziometra.

 Nastavljiva sila prednapetja:

Naš nosilec mora omogočati zadostno silo, s katero ekstenziometer pritiska na vzorec, saj le tako merilni sistem deluje pravilno. Ta sila mora biti eksaktna in tudi nastavljiva, saj se lahko potrebna sila spreminja glede na vrsto meritve.

(29)

 Možnost nastavitve višine:

Pri nateznem obremenjevanju vzorca, se ta raztegne, vendar ta raztezek ni konstanten po celotni dolžini. Meritve raztezka lahko izvajamo na več delih vzorca, zato je zelo pomembno, da ima naš izdelek možnost nastavljanja višine na kateri se keramične palčice ekstenziometra stikajo z vzorcem.

 Možnost montaže ekstenziometra v peči:

Stroj za natezni preizkus, za katerega mi izdelujemo naš izdelek, ima možnost segrevanja vzorca tako, da ga zapremo v peč. Ta peč ima majhno odprtino za ekstenziometer. Naš nosilec mora biti oblikovan tako, da bo omogočal neovirano delovanje peči.

 Sposobnost delovanja pri povišanih temperaturah:

Kot že omenjeno ima preizkuševališče za natezne preizkuse možnost segrevanja preizkušanca do zelo visokih temperatur, kar pomeni, da se lahko segreje tudi del našega nosilca, ki je najbližje peči. Na teh mestih je potrebno uporabiti takšne materiale, ki ne izgubijo svojih lastnosti pri povišanih temperaturah.

 Brez zračnosti:

Zračnost in neujemanje vodilnih elementov lahko privede do neželjenih vibracij, pokvari nastavljeno silo prednapetja in nasplošno pokvari podatke merjenja, zato je potrebno izdelati take komponente, ki se bodo med seboj čim bolj ujemale, ali še bolje uporabiti standardne vodilne elemente.

 Uporaba standardnih elementov:

Poleg zmanjševanja zračnosti pri vodilnih elementih pa je želja uporabiti tem več standardnih komponent tudi za zmanjševanje kompleksnosti konstrukcije ter cene celotnega izdelka. Torej bomo uporabili standardne komponente kjer se to le da.

 Cenovno ugoden izdelek:

Cenovna ugodnost ni na vrhu naših prioritet, saj gre za enkratni izdelek, ki sodeluje pri eksperimentalnem delu, pri katerem je mnogo pomembnejša kakovost in pravilno delovanje kot pa cena. Kljub temu pa skušamo ohraniti kolikor se le da normalno ceno in zmanjšati čim več nepotrebnih stroškov.

 Zagotoviti ustrezen prostor za el. vodnik:

Napajanje ekstenziometra ter prenos informacij pridobljenih z njim se izvaja preko el.

vodnika, za katerega pa mora biti zagotovljena neprekinjena pot. Zagotoviti moramo tudi, da se z uporabo našega izdelka ta vodnik ne prepogiba oziroma pretrga.

 Varna uporaba:

Izdelek mora ustrezati vsem varnostnim standardom in pravilom. Vpetje na steber mora zdržati dovolj velike navore, da se nosilec ne poruši in poškoduje uporabnika. Poleg tega pa

(30)

 Dolga življenjska doba:

Želja je zagotoviti čim daljšo življenjsko dobo, saj se bo le tako investicija v ta izdelek splačala. Torej moramo uporabiti primerne, nerjaveče materiale, ki se ne bodo obrabljali med uporabo.

 Enostavno vzdrževanje:

Enostavno vzdrževanje pripomore pri podaljšanju življenjske dobe, zato želimo, da je izdelek precej enostavno razstaviti, zamenjati oziroma podmazati potrebne dele ter nazaj sestaviti.

 Izgled:

Kot je razvidno iz ocene pomembnosti, se na izgled ne bomo najbolj osredotočali, saj gre za znanstveni in ne komercialni izdelek.

5.2 Delne funkcije

Glavna funkcija našega nosilca je izpolnjevanje vseh zgoraj naštetih zahtev in tem boljše izpolnjevanje želja. Torej mora naš izdelek omogočati pravilno delovanje merilne opreme, hkrati pa mora biti hiter in enostaven za uporabo. Za lažjo definicijo ter razumevanje glavne funkcije, le to razdelimo na več delnih funkcij, ki jih mora posamezen del našega izdelka izpolnjevati.

Glavno funkcijo našega nosilca smo razdelili na 4 delne funkcije:

 Zagotavljanje prostostnih stopenj gibanja ekstenziometra

 Zagotavljanje dovolj velike sile prednapetja, s katero paličice ekstenziometra pritiskajo na vzorec

 Zagotavljanje prave točke ter kota pod katerim ekstenziometer pritiska na vzorec

 Zagotavljanje ustrezne pritrditve nosilca na natezni stroj

5.2.1 Zagotavljanje prostostnih stopenj

Kot omenjeno v teoretičnem delu, je ekstenziometer sestavljen iz dveh delov, ki jih na sredini povezuje merilni aparat. Ta merilna ploščica s pomočjo merilnih lističev meri zasuk enega dela napram drugemu in s tem pridobi podatek o raztezku vzorca. Torej je za vpetje ekstenziometra na naš nosilec izjemno pomembno, da omogočamo, da se lahko oba dela ekstenziometra prosto rotirata eden napram drugemu in da z vpetjem ekstenziometra na nosilec ne vplivamo na to rotacijo.

Poleg tega je potrebno zagotoviti, da se je ekstenziometer zmožen prosto premikati v vertikalni smeri, saj se preizkušanec deformira po celotni dolžini.

Torej moramo izdelati tako vpetje, ki bo zagotavljalo rotacijo obeh delov ekstenziometra, hkrati pa bo omogočalo nastavitev začetne višine in sledenje vzorcu med preizkušanjem.

(31)

5.2.2 Zagotavljanje sile prednapetja

Da se paličici ekstenziometra lahko dovolj dobro oprimeta preizkušanca ter sledita preizkušancu, je potrebna dovolj velika sila trenja med materialom in paličicama. To silo zagotavljamo tako, da ekstenziometer pritiskamo z neko silo prednapetja v vzorec. Zahteva je, da je sila nastavljiva in si jo lahko uporabnik prilagodi po lastni potrebi.

Mehanizem s podobno funkcijo se na IMT že uporablja na namenskem preizkuševališču Zwick, ki je namenjeno preizkusom utrujanja materiala v področju lezenja. Izdelalo ga je podjetje Epsilon in deluje s pomočjo vzmeti. S tem si lahko pomagamo pri načrtovanju našega nosilca.

5.2.3 Zagotavljanje pozicije

Ko uporabnik opravi vse meritve in konča z nateznim preizkusom mora odstraniti pretrgan preizkušanec in v stroj namestiti novega. Da izvede zamenjavo, je potrebno ekstenziometer in držalo zanj odmakniti, saj omejujeta dostop do preizkušanca. Pri novem vzorcu je nato spet potrebno natančno nastaviti kot in točko na vzorcu, na katero ekstenziometer pritiska, hkrati pa mora ta proces biti preprost in hiter.

5.2.4 Zagotavljanje pritrditve nosilca

Izbrati je potrebno primerno mesto na preizkuševališču, na katerega bomo pritrdili naš nosilec. Ta del preizkuševališča mora biti dovolj tog in pravilno pritrjen na ostali del nateznega stroja, saj hočemo iz preizkuševališča prenesti čim manj vibracij na naš izdelek, hkrati pa mora podpirati celotno težo nosilca. Po ogledu preizkuševališča smo ugotovili, da sta edina primerna dela za pritrditev sprednja podporna stebra, saj sta največja in tudi na primernem mestu, ki omogoča relativno preprosto kostrukcijo nosilca. Stebra sta na isti čelni ravnini kot vzorec, ter od njega oddaljena 331.5 milimetrov.Na predlog IMT smo se odločili uporabiti steber desno od vzorca, saj je tako konstrukcija na veliko bolj praktičnem mestu.

Potrebno bo zasnovati obliko nosilca tako, da se bo ekstenziometer še vedno dotikal vzorca pod pravim kotom. Za pritrditev nosilca na steber je potrebno uporabiti takšno metodo, ki ne poškoduje samega stebra in omogoča enostavno montažo in demontažo nosilca.

(32)

5.3 Morfološka matrika

Morfološka matrika (preglednica 2) je preglednica, ki nam pomaga zbrati različne delovne principe za vsako od že določenih delnih funkcij. Ko sestavljamo različne koncepte, za vsak koncept izberemo različno kombinacijo delovnih principov iz morfološke matrike. Tako dobimo več konceptov, ki se med seboj razlikujejo.

Preglednica 2: Morfološka matrika

Delna funkcija Delovni princip

Zagotavljanje stopenj

prostosti Kotalni ležaji Drsni ležaji Linearna vodila Zagotavljanje sile

prednapetja

Vzmet

Hidravlika Pnevmatika Direktna Prek

zobnikov Zagotavljanje

pozicije Linearna vodila Rotacijski členek

Zagotavljanje

pritrditve na steber S trenjem Z obliko

5.4 Sinteza konceptov

Da tem bolje izpolnimo glavno funkcijo, je potrebno za vsako od delnih funkcij kreirati čim več različnih konceptov, med katerimi lahko izbiramo, ko sestavljamo koncept celotnega izdelka.

Koncept je zgodnja reprezentacija oziroma ideja o končnem izdelku, ki vsebuje minimalno število detajlov, ki so potrebni za prikaz glavnih karakteristik produkta. Ko je ustvarjenih več konceptov, se izbere tistega, ki izpolnjuje največje število zahtev in želja uporabnika na najboljši način [5].

5.4.1 Vpetje ekstenziometra (K

1

)

Pri reševanju problema vpenjanja, moramo biti zelo pozorni na različne napake, ki jih lahko naredimo. Glavna naloga je seveda zagotoviti pravilno delovanje merilnega orodja, kar pomeni zagotoviti vse potrebne prostostne stopnje. Pozorni moramo biti tudi na to, da pustimo zadosti prostora za el. vodnik, ki gre iz ekstenziometra do računalnika. Izjemno pomembno je katero mesto na ekstenziometru izberemo za vpetje, saj mora biti zagotovljena rotacija spodnjega in zgornjega dela ekstenziometra neodvisno eden od drugega. Torej je potrebno izbrati tako točko in način vpetja, da ne pokvarimo verodostojnosti merilnih podatkov, hkrati pa moramo biti pozorni tudi na to, da ne poškodujemo merilnega inštrumenta. To pomeni da kakršno koli vpetje na srednji (merilni) del ni mogoče, saj je ta zelo občutljiv in bi ga s tem lahko poškodovali ter najverjetneje tudi pokvarili pridobljene meritve.

(33)

5.4.1.1 Koncept 1 (K

1.1

)

Pri prvem konceptu vpetja ekstenziometra (slika 5.1 in slika 5.2) smo preko vijakov, ki so že na ekstenziometru, na zgornji in spodnji del pritrdili dve komponenti, ki sta med seboj povezani z gredjo, na gred pa preko ležajev. S tem omogočamo prosto rotacijo obeh delov okrog gredi, ki pa poteka skozi center merilnega dela ekstenziometra. Za vertikalni pomik pa smo uporabili preprosto kupljeno vodilo.

Slika 5.1: Koncept K1.1 – pogled 1

(34)

5.4.1.2 Koncept 2 (K

1.2

)

Drugi koncept (slika 5.3 in slika 5.4) je v načinu vpetja popolnoma enak prvemu, le da smo tu za vertikalni pomik uporabili večje kupljeno vodilo z valjčki, ki omogočajo manjše trenje, hkrati pa poveča togost linearnega vodila. Slabost je večja vztrajnostna masa in posledično slabše sledenje vzorcu.

Slika 5.3: Koncept K1.2 – pogled 1

Slika 5.4: Koncept K1.2 - pogled 2

(35)

5.4.1.3 Primerjava konceptov vpetja

Glavna razlika med obema konceptoma vpetja je uporaba različnih vertikalnih vodil. Pri prvem konceptu je vodilo nekoliko slabše iz vidika trenja, vendar pa nam omogoča uporabiti mnogo manj komponent in posledično krepko manjšo maso v primerjavi z drugim konceptom. Ker pa prvi koncept še vedno zagotavlja dovolj nizko trenje za naše potrebe, je primernejši od drugega, saj ekstenziometer deluje na precej dolgi ročici, kar posledično povzroča velike momente v vpetju na steber, zato si želimo čim bolj zmanjšati maso vpetja.

5.4.2 Zagotavljanje sile prednapetja (K

2

)

Prepoznali smo večje število načinov zagotavljanja ustrezne sile prednapetja. Lahko si pomagamo s hidravličnimi, pnevmatičnimi ali pa najpreprostejše kar vzmetnimi sistemi. Za naš primer je potrebna relativno majhna sila v območju do 20 Newtonov, zato bi bilo tehnično in ekonomsko nesmiselno uporabiti hidravlične in pnevmatične sisteme.

5.4.2.1 Koncept 1 (K

2.1

)

Prvi koncept za zagotavljanje sile (slika 5.5) deluje na principu zavornega kolesa ter zobnikov. Vzmet se nahaja v cilindrastem ohišju. Za večanje aplicirane sile vrtimo gumb v levo, s tem poganjamo zobnike in z določenim prestavnim razmerjem posredno stiskamo vzmet. Zaradi oblike zavornega kolesa nam zaskočka omogoča da lahko kolo vrtimo v eno smer v drugo pa je rotacija blokirana. To nam omogoča da napnemo vzmet ne da bi se ta razbremenila ko prenehamo z vrtenjem gumba. Za razbremenitev vzmeti zavrtimo gumb za ponastavitev vzmeti tako, da odmaknemo zaskočko od zavornega kolesa. Problem take konstrukcije je predvsem kompleksnost, vendar pa ima prednost natančnosti, saj je vrtenje gumba lahko bolj natančno kot potiskanje vzmeti z roko, hkrati pa lahko s prestavnim razmerjem zobnikov nastavljamo natančnost.

Slika 5.5: Koncept K2.1

(36)

5.4.2.2 Koncept 2 (K

2.2

)

Pri tem konceptu smo za zagotavljanje sile preko vzmeti uporabili profil iz aluminija, po katerem se lahko linearno pomika ohišje za vzmet (slika 5.6). V ohišju se nahaja tlačna vzmet, na katero potiska stojalo za ekstenziometer. Ko se ekstenziometer dotakne preizkušanca in ohišje vzmeti še vedno potiskamo proti njemu, se vzmet začne krčiti.

Aplicirano silo lahko pomerimo če poznamo prožnostni koeficient vzmeti ter razdaljo med ohišjem vzmeti in stojalom za ekstenziometer. Ko pridemo do željene sile, pomik blokiramo s privitjem vijakov, ki povezujeta ohišje vzmeti in aluminijast profil, s tem preprečimo, da se vzmet nazaj raztegne.

5.4.2.3 Koncept 3 (K

2.3

)

Princip delovanja koncepta, prikazanega na sliki 5.7, je enak prejšnjemu, le da pri tem uporabljamo kupljena linearna vodila, kar je iz tehničnega vidika bolje, saj so te komponente že preizkušene. Za linearni pomik pri tem konceptu uporabljamo linearni voziček HW_15_CC_Z0_C in tirno vodilo HR_15_R_C proizvajalca ECONOMY. Za zavoro pa uporabljamo kupljeno zavoro FRCMAN_15_T15_LT proizvajalca ERRE.DI. Tudi iz ekonomskega vidika je taka rešitev boljša, saj so kupljene komponente cenejše kot pa če jih izdelamo sami.

(37)

5.4.2.4 Koncept 4 (K

2.4

)

Ta koncept (slika 5.8) je zopet po principu skoraj popolnoma enak prejšnjemu z eno ključno razliko. Pri tem smo uporabili natezno vzmet medtem ko je pri prejšnjem vzmet tlačna. Samo vpetje take vzmeti je nekoliko lažje, vendar je potrebna še dodatna komponenta, ki na to vzmet pritiska. Vsi kupljeni vodilni elementi so enaki kot pri prejšnjem konceptu.

5.4.2.5 Primerjava konceptov za zagotavljanje sile

Za zagotavljanje sile imamo kar nekaj konceptov, ki pa so si zelo podobni v tem, da mehansko zagotavljajo silo prednapetja z elastično deformacijo vzmeti. Koncept z zobniki je najbolj unikaten, vendar tudi najtežje izvedljiv. Edino prednost, ki jo ima pred drugimi

(38)

predstavlja problem, saj ne vemo točno kako se bo to vodilo obnašalo. Naletimo lahko na problem zračnosti, kar pomeni da se lahko komponente medsebojno premikajo v neželenih smereh. Zato se bomo raje držali konceptov tri in štiri. Glavna razlika med tema konceptoma pa je samo v uporabi različnih vzmeti. Koncept tri uporablja tlačno vzmet, medtem ko koncept štiri uporablja natezno. Vsaka od vzmeti ima svoje prednosti in slabosti, zato ne moremo z gotovostjo trditi katera je boljša.

5.4.3 Pritrditev nosilca (K

3

)

Odločili smo se, da bomo nosilec pritrdili na desni podporni steber nateznega stroja (slika 3.1), ki ima premer 76 mm. Na voljo imamo dve rešitvi, pritrditev z obliko ter pritrditev s trenjem. Vendar pa ker nateznega stroja ne smemo poškodovati oziroma preoblikovati nam ostane samo še pritrditev s trenjem.

5.4.3.1 Koncept 1 (K

3.1

)

Za pritrjevanje nosilca na steber tu uporabljamo relativno preprost sistem s silo trenja, ki jo zagotovimo z vpenjalno ročico, ki skupaj ob steber stiska dve kovinski komponenti in s tem preprečuje pomikanje po vertikalni osi. Nosilec je s kovinskima komponentama povezan z vijaki. Koncept je prikazan na sliki 5.9.

(39)

5.4.3.2 Koncept 2 (K

3.2

)

Ta koncept (slika 5.10) je zelo podoben prejšnjemu, le da tu uporabljamo dve ročici, ki omogočata lažjo montažo.

5.4.3.3 Koncept 3 (K

3.3

)

Kot do sedaj tudi ta koncept za vpetje deluje na principu sile trenja (slika 5.11), vendar je ta mnogo bolj podoben sistemu že v uporabi na IMT. Prednost tega koncepta napram drugim je, da je togost močno povečana, kar je pomembno, da vzbujanje s stroja ne povzroči dodatnih nihanj na nosilcu. Namesto ročic, kot pri prejšnjih dveh konceptih pa tu uporabljamo navadne vijake.

(40)

5.4.3.4 Primerjava konceptov za pritrditev

Prvi in drugi koncept sta si zopet zelo podobna. Drugi koncept omogoča lažjo montažo, čeprav je sestavljen iz nekoliko več komponent. Tretji koncept pa nam omogoča, da imamo tem več mase ob vpetju, kar posledično pomeni, da vzbujanje s stroja ne povzroča dodatnih vibracij, hkrati pa je cena takega koncepta nekoliko višja od prvih dveh. Kljub temu menimo, da je tretji koncept primernejši od ostalih dveh.

5.4.4 Zagotavljanje pozicije (K

4

)

Kot že omenjeno je potrebno izdelati nosilec, ki ga lahko enostavno in hitro odmaknemo stran od preizkušanca za lažjo menjavo, in nato spet nastavimo na pravilno pozicijo. Pozicijo lahko zagotovimo z linearnimi gibi, rotacijskimi gibi, ali pa kombinacijo obeh. Nekaj od teh gibov je že vključenih v ostale koncepte. Pritrditev nosilca na steber nam hkrati omogoča rotacijo okrog stebra, zagotavljanje sile nam poda translacijo, v vpetju ekstenziometra pa je že vključena rotacija okrog vodila ter vertikalna translacija. Zaradi oblike preizkuševališča ter mesta na katerega smo vpeli nosilec pa potrebujemo vsaj še eden rotacijski členek, saj drugače ni možno pravilno pozicionirati ekstenziometra.

5.4.4.1 Koncept 1 (K

4.1

)

Pri tem konceptu smo se odločili za pozicioniranje z rotacijskim gibom (slika 5.12). Dva kovinska nosilca sta združena v spoj, okrog katerega se lahko po vodoravni ravnini rotirata.

Spoj je sestavljen iz glavnega vijaka, ki drži oba nosilca skupaj in prenaša vse obremenitve v spoju, spodnje matice, ki skrbi da vijak ostane v spoju ter zgornje matice, ki jo lahko privijemo. S tem stisnemo en nosilec ob drugega in zagotovimo silo trenja, ki preprečuje rotacijo ko opravljamo meritev. Nosilec 1 bi bil na drugem koncu fiksno pritrjen na steber, drugi pa bi nosil ekstenziometer ter celotno konstrukcijo potrebno za njegovo delovanje.

(41)

5.4.4.2 Koncept 2 (K

4.2

)

Za drugi koncept za zagotavljanje pozicije, smo se zopet obrnili na nosilec že v obratovanju na IMT. Nosilca tu skupaj držita dva vijaka, ki sta oba privijačena v zgornji nosilec. Ta se lahko rotira napram spodnjemu nosilcu okrog prvega vijaka zaradi oblike utora drugega vijaka. Na sliki 5.13 vidimo, da se pri tem konceptu lahko nosilca med seboj zasukata le za določen kot. Večji nosilec bi bil pritrjen na steber okrog katerega bi se lahko dodatno rotiral.

Rotacija okrog stebra nateznega stroja in rotacija v tem členku bi nam skupaj omogočali dovolj gibljivosti, da se lahko nemoteno izvede menjavo preizkušanca po preizkusu.

5.4.4.3 Primerjava konceptov za pozicioniranje

Oba koncepta sta zelo enostavna za uporabo, vendar pa prvi koncept omogoča večji kot rotacije. Hkrati pa moramo gledati tudi na togost ter zmožnost prenašanja obremenitev. V tem vidiku je drugi koncept nekoliko boljši.

5.5 Končni koncept izdelka

Za vsako delno funkcijo smo zbrali nekaj konceptov, ki pa jih moramo sedaj sestaviti v skupen koncept. Izdelali bomo več končnih konceptov z različnimi variacijami konceptov delnih funkcij, ter jih med seboj primerjali po tehnični in ekonomski vrednosti. Na koncu bomo izbrali najustreznejši končni koncept, ki ga bomo v nadaljevanju nadgradili v podroben geometrijski model. Pri sestavljanju konceptov moramo poskrbeti, da so ti koncepti povezani v celoto in da koncept ene delne funkcije ne ovira delovanje koncepta druge delne funkcije.

Enačbo s katero bomo sestavljali koncepte lahko opišemo z logičnimi simboli:

𝐾_𝐾 = (𝐾_1.1+ 𝐾_1.2) ∗ (𝐾_2.1+ 𝐾_2.2+ 𝐾_2.3+ 𝐾_2.4) ∗ (𝐾_3.1+ 𝐾_3.2+ 𝐾_3.3)

∗ (𝐾_4.1+ 𝐾_4.2)

(1)

(42)

5.5.1 Končni koncept 1

Prvi končni koncept lahko popišemo z enačbo:

𝐾_𝐾1= 𝐾_1.2 ∗ 𝐾_2.2∗ 𝐾_3.2∗ 𝐾_4.1 (2)

Koncept je sestavljen iz relativno preprostih ter poceni komponent. Iz slike 5.14 in slike 5.15 opazimo, da se velik delež mase nahaja proti koncu nosilca, kar bi lahko bilo problematično za sklep ter vpetje na steber. Opazimo tudi, da nam ta koncept omogoča dokaj malo linearnega pomika v smeri ekstenziometra proti vzorcu, kar ne predstavlja problema za delovanje ekstenziometra, vendar pa lahko ovira hitro menjavo preizkušancev.

Za uporabo takega koncepta najprej nastavimo višino na vpetju na steber. Z ročicami lahko spustimo trenje, ki drži konstrukcijo pokonci in nato ročno premikamo nosilcev po vertikali.

Ko nam višina ustreza ponovno z ročicami zategnemo vijake in s tem apliciramo silo trenja med stebrom ter ukrivljenimi ploščami. Nato nastavimo kot med obema jeklenima nosilcoma tako, da bodo paličice ekstenziometra nalegale na vzorec pod željenim kotom. Ko to dosežemo, zategnemo zgornjo matico ob spodnjo ter s tem preprečimo nadaljnje vrtenje.

Ekstenziometer nato približamo vzorcu, dokler se ga ne dotaknemo in nato nastavimo višino še na vodilu za vertikalni pomik, tako da bodo paličice nalegale na željeno mesto na vzorcu.

Ko imamo paličice na željenem mestu pa samo še ročno potisnemo ohišje vzmeti proti vzorcu, dokler ne dosežemo željene sile prednapetja. Ko to dosežemo pa ponovno samo zategnemo vijaka na ohišju za vzmet, ki preprečita raztezanje vzmeti. S tem smo zaključili pripravo in lahko nadaljujemo z eksperimentom. Ko želimo vzorec zamenjati preprosto odvijemo vijaka na ohišju za vzmet, odmaknemo ekstenziometer od vzorca, in če še vedno potrebujemo več prostora lahko sprostimo matico v členku ter zasukamo drugi del nosilca.

Slika 5.14: Končni koncept 1 - pogled 1

(43)

5.5.2 Končni koncept 2

Drugi končni koncept (slika 5.16) lahko popišemo z enačbo:

𝐾_𝐾2= 𝐾_1.1 ∗ 𝐾_2.3∗ 𝐾_3.3∗ 𝐾_4.2 (3)

Pri tem konceptu smo uporabili nekoliko več kupljenih komponent. Uporabili smo tudi manjše vodilo za vertikalni pomik. S tem smo zmanjšali maso na koncu nosilca, kar pa nam omogoča, da uporabimo nekoliko tanjše nosilce iz aluminija. Postopek uporabe je skoraj popolnoma enak končnemu konceptu 1, le da tu za preprečevanje raztezanja vzmeti uporabimo zavorno ročico namesto vijakov. Kot pri prejšnjem konceptu tudi tu uporabljamo tlačno vzmet, ki ima boljšo zanesljivost in daljšo življenjsko dobo kot natezna vzmet.

(44)

5.5.3 Končni koncept 3

Tretji končni koncept (slika 5.17 in slika 5.18) popišemo z enačbo:

𝐾_𝐾2= 𝐾_1.1 ∗ 𝐾_2.4∗ 𝐾_3.3∗ 𝐾_4.2 (4)

Edina sprememba, ki smo jo naredili med tem in končnim konceptom 2 je to, da tu uporabljamo natezno vzmet, kar pa s seboj prinese malenkost drugačno konstrukcijo ter dodatne komponente.

(45)

5.6 Ocena konceptov

Pri iskanju optimalne rešitve je potrebno izvesti ocenjevanje izdelanih konceptov. Koncepte bomo ocenjevali glede na tehnično vrednost, ki zajema vse želje in zahteve, ki niso povezane s stroški, ter ekonomsko vrednost, ki zajema vse želje in zahteve povezane s stroški.

Vsakemu od kriterijev pa bomo pripisali tudi utež, saj niso vsi kriteriji enako pomembni za naš izdelek. Ocenjevali bomo po kriteriju od 1 (najslabše) do 5 (najboljše).

5.6.1 Tehnična ocena

Preglednica 3: Tehnična ocena konceptov

Tehnični kriterij Utež KK1 KK2 KK3

1 Izpolnjevanje zahtev 5 4 5 5

2 Enostavna in hitra uporaba

4 3 4 4

3 Zanesljivost 3 3 5 4

4 Varnost 4 5 5 5

5 Estetičnost 1 2 3 3

Skupno tehnično vrednost posameznega koncepta dobimo z vsoto zmnožkov vrednosti vsakega kriterija z njegovo oceno. Idealno tehniško vrednost dobimo tako, da pomnožimo uteži vsakega kriterija z idealno oceno (5).

Enačba za idealno vrednost tehnične ocene:

𝑇_𝐾𝑖= (5 × 5) + (4 × 5) + (3 × 5) + (4 × 5) + (1 × 5) = 85 (5) Enačbe absolutne tehnične vrednosti konceptov:

𝑇_𝐾1= (4 × 5) + (3 × 4) + (3 × 3) + (5 × 4) + (2 × 1) = 63 (6) 𝑇_𝐾2= (5 × 5) + (4 × 4) + (5 × 3) + (5 × 4) + (3 × 1) = 79 (7) 𝑇_𝐾3= (5 × 5) + (4 × 4) + (4 × 3) + (5 × 4) + (3 × 1) = 76 (8) Da dobimo relativno tehnično oceno vsakega koncepta moramo vrednost absolutne tehnične ocene deliti z vrednostjo idealne tehnične ocene.

𝑇_𝐾1𝑅 = 𝑇_𝐾1 𝑇_𝐾𝑖 =63

85 = 0,74 (9)

𝑇_𝐾2𝑅 = 𝑇_𝐾2 𝑇 =79

85 = 0,93 (10)

(46)

𝑇_𝐾3𝑅 = 𝑇_𝐾3 𝑇_𝐾𝑖 =76

85 = 0,89 (11)

5.6.2 Ekonomska ocena

Preglednica 4: Ekonomska ocena konceptov

Ekonomski kriterij Utež KK1 KK2 KK3

1 Cena izdelave 3 3 4 4

2 Stroški obratovanja 1 4 4 4

Kot je vidno v preglednici 4, smo ekonomskim kriterijem dali nekoliko nižje uteži, saj gre za enkratni izdelek, ki se ga bo uporabljalo za raziskovalne namene, zato je kvaliteta mnogo pomembnejša od cene.

Konceptu 1 smo priredili za kriterij cene izdelave nižjo oceno kot ostalima konceptoma.

Tako smo se odločili, ker so v večini ročno izdelani kosi dražji kot kupljeni.

Ponovno ponovimo izračune le da uporabljamo vrednosti in uteži ekonomskih kriterijev.

𝐸_𝐾𝑖 = (5 × 3) + (1 × 5) = 20 (12)

𝐸_𝐾1= (3 × 3) + (4 × 1) = 13 (13)

𝐸_𝐾2= (4 × 3) + (4 × 1) = 16 (14)

𝐸_𝐾3= (4 × 3) + (4 × 1) = 16 (15)

𝐸_𝐾1𝑅 = 𝐸_𝐾1 𝐸_𝐾𝑖 = 13

20= 0,65 (16)

𝐸_𝐾2𝑅 = 𝐸_𝐾2 𝐸_𝐾𝑖 = 16

20= 0,8 (17)

𝐸_𝐾3𝑅 = 𝐸_𝐾3 𝐸_𝐾𝑖 = 16

20= 0,8 (18)

5.6.3 Izbira koncepta

Izbira pravega koncepta je nadvse pomembna, saj so spremembe konstrukcije v nadaljevanju mnogo težje kot v fazi koncipiranja.

Najprimernejši koncept izberemo glede na relativno ekonomsko in tehnično oceno. Za orientacijo si lahko izračunamo povprečno vrednost relativne tehnične in ekonomske ocene.

𝑂_𝐾1𝑅 = 𝐸_𝐾1𝑅+ 𝑇_𝐾1𝑅

2 = 0,65 + 0,74

2 = 0,695 (19)

(47)

2 = 0,8 + 0,93

2 = 0,865 (20)

2 = 0,8 + 0,89

2 = 0,845 (21)

Povprečje ekonomske in tehnične ocene nam da dobro predstavo o zaporedju konceptov, vendar pa samo s tem ne moremo dokončno izbrati najboljšega koncepta. Zato si pomagamo še z grafom prikazanim na sliki 5.19.

Slika 5.19: Graf relativne ekonomske in tehnične vrednosti končnih konceptov

Idealna vrednost kateri se skušamo čim bolj približati je seveda v zgornjem desnem kotu grafa. Idealna linija poteka od točke (0,0) pa do idealne vrednosti. S svojim konceptom se skušamo čim bolj približati idealni vrednosti in idealni liniji. Vidimo lahko da je koncept 1 nekoliko slabši od ostalih dveh, vendar še vedno ne moremo z gotovostjo trditi kateri od teh dveh konceptov je boljši.

Kljub temu, smo si za nadaljnjo obdelavo izbrali koncept 2, saj je ta nekoliko preprostejši in enostavnejši za izdelavo.

(48)

5.7 Izbira vzmeti

Preden začnemo z izdelavo podrobnega geometrijskega modela, je potrebno izbrati ustrezno vzmet, saj ta vpliva na geometrijo našega izdelka. Vemo, da mora ekstenziometer na vzorec pritiskati s silo veliko do 20N.

5.7.1 Karakteristika vzmeti

Karakteristika vzmeti je podana s krivuljo v diagramu prikazanem na sliki 5.20, ki prikazuje odvisnost sile od povesa vzmeti. Pri cilindrični tlačni vijačni vzmeti konstantnega premera žice je karakteristika vzmeti izrazito linearna [6].

Slika 5.20: Karakteristika vzmeti [6]

Nižja kot je karakteristika vzmeti R, bolj natančno lahko določimo silo, saj je potrebno vzmet skrčiti za večjo razdaljo, da dosežemo isto silo. Hkrati pa mora biti vzmet z nižjo karakteristiko R daljša kot vzmet z višjo karakteristiko, kar pa pomeni, da bo tudi konstrukcija nekoliko večja. Zato je pomembno da najdemo vzmet z optimalno karakteristiko R, ki nam bo omogočala zadovoljivo natančnost, hkrati pa ne bo predolga za našo konstrukcijo.

Izbrali smo vzmet proizvajalca HENNLICH z vzmetno karakteristiko 𝑅 = 3,43 ^𝑁

𝑚𝑚 in z dimenzijami, prikazanimi v preglednici 5 in na sliki 5.21.

Preglednica 5: Dimenzije vzmeti

d [mm] De [mm] D [mm] Di [mm] L0 [mm] n [/] Dd

[mm] Dh

[mm]

0,75 5,65 4,90 4,15 19,5 8 4,0 5,9

(49)

Slika 5.21: Dimenzije vzmeti [6]

Proizvajalec pa nam tudi poda največji dovoljen skrček vzmeti 𝐿𝑛 = 8.3𝑚𝑚. S tem podatkom lahko izračunamo največjo dovoljeno silo, ki jo vzmet lahko prenaša po enačbi:

𝐹𝑛 = 𝑅 × (𝐿₀− 𝐿_𝑛) (22)

𝐹𝑛 = 3,43 𝑁

𝑚𝑚× (19,5𝑚𝑚 − 8,3𝑚𝑚) (23)

𝐹𝑛 = 38,42𝑁 (24)

Vidimo, da je maksimalna sila vzmeti precej višja kot sila, ki jo potrebujemo mi, kar pomeni da bo vzmet zadostovala našim potrebam.

Pri konstruiranju našega izdelka pa moramo v mislih imeti najmanjšo dovoljeno dolžino vzmeti in konstrukcijo prilagoditi tako, da te dolžine med uporabo ne bo mogoče prekoračiti.

(50)

6 Rezultati in diskusija

6.1 Podroben geometrijski model

Sedaj ko smo izbrali koncept ter pridobili vse potrebne podatke, lahko začnemo z snovanjem podrobnega geometrijskega modela, ki nam bo v nadaljevanju pomagal z izdelavo tehnične dokumentacije. V modelu moramo upoštevati vse potrebne standarde za vijake, podložke, matice, izvrtine itd. Paziti je potrebno tudi na to, da so vsi ležaji ter ostale kupljene komponente kot so linearni vozički in vzmet, pritrjene po navodilih proizvajalcev. Da pa bo izdelek sploh uporaben je nujno potrebno razmisliti s kakšnimi postopki se vsako od komponent izdela, da ne bomo zasnovali delov, ki jih je praktično nemogoče ustvariti v realnem svetu. Komponente morajo biti tudi zasnovane na tak način, da se bo izdelek lahko sploh sestavil. To velja še posebno za del vpetja ekstenziometra okoli ležajev, saj so komponente zelo majhne in težko dostopne.

V tem poglavju smo torej izdelali geometrijski model delujočega izdelka (slika 6.1 in slika 6.2), s katerim si bomo lahko pomagali pri izdelavi tehnične dokumentacije, analize statične nosilnosti, hkrati pa bo služil tudi kot neke vrste prezentacija, s katero lahko bolj podrobno ter preprosto za razumevanje predstavimo principe delovanja našega izdelka.

Slika 6.1: Podroben geometrijski model - pogled 1

(51)

Rezultati in diskusija

Za material obeh nosilcev in tudi večino drugih komponent smo izbrali aluminijevo zlitino 6061, po standardu ISO 209: 2007:6061, komponente pri vpetju ekstenziometra pa so iz AISI 304 nerjavečega jekla po EN 1.4301.

6.1.1 Vpetje na steber

Vpetje na steber smo dobro definirali že v fazi koncipiranja, zato so tu potrebne le manjše modifikacije (slika 6.3 in slika 6.4).

Za privijanje smo uporabili inbus vijak SIST ISO 4762 – M10 x 100 – 8.8. Zanj smo naredili ugreznino DIN 74 – Kf 10, ter uporabili standardno izbočeno vzmetno podložko DIN 137 – A10. Upoštevati je potrebno tudi iztek notranjega metrskega navoja po DIN 76-1. Upoštevati je bilo potrebno tudi, da se nosilec ter stiskalna komponenta ne dotikata, saj lahko le tako zagotovimo ustrezno silo trenja pri privitju.

(52)

6.1.2 Sklep nosilca

Pri sklepu smo od koncepta spremenili le nekaj dimenzij ter na koncu linearnega vodila dodali še ploščico, ki skrbi da linearni voziček ne more pasti iz nosilca (slika 6.5 in slika 6.6). Ploščica je pritrjena z dvema DIN 85 – M4 x 10 – 4.8 vijakoma in ustreznima podložkama. Tudi na drugem koncu linearnega vodila imamo popolnoma identično ploščico za ustavljanje vozička. Linearno vodilo je na drugi nosilec pritrjeno s petimi SIST ISO 4762 – M4 x 25 – 8.8 vijaki. Dodali smo še ustrezne podložke, ugreznine pa so v linearnem vodilu že narejene. Glavna vijaka, ki povezujeta prvi in drugi nosilec ter omogočata rotacijo ter nosilcev pa sta SIST ISO 4762 – M5 x 40 – 8.8 [7].

(53)

6.1.3 Zagotavljanje sile

Za zagotavljanje sile smo nekoliko spremenili način vpetja vzmeti (slika 6.7 in slika 6.8), saj je izdelava teh komponent sedaj mnogo preprostejša. V vzmeti je vodilo, ki je pritrjeno na prvi voziček. Ko potisnemo prvi voziček proti drugemu, gre lahko to vodilo v izvrtino v drugem vozičku, med tem ko je vzmet prevelika za to izvrtino. Zato se vzmet skrči in s tem zagotavlja silo.

(54)

6.1.4 Vpetje ekstenziometra

Pri vertikalnem delu vpetja smo zopet morali nekoliko odstopiti od koncepta, saj je bilo potrebno ročice izdelati tako, da je sploh možno sestaviti tak izdelek. Za razliko od koncepta je sedaj prijemalo sestavljeno iz treh delov (slika 6.9), saj če bi bil narejeno samo iz enega kosa, ne bi bilo mogoče vstaviti ostalega dela vpetja.

Enako smo naredili s spodnjo vpenjalno ploščico, ki je sedaj sestavljena iz treh delov (slika 6.10).

(55)

Uporabili smo krogljične ležaje z globokim utorom W 619/3 proizvajalca SKF [8].

Proizvajalec nam tudi podaja navodila za pravilno namestitev in uporabo teh ležajev (slika 6.11). Potrebno je preprečiti ležajem, da se premikajo po gredi, kar pomeni da jih je potrebno na vsaki strani vpeti. Za to smo uporabili geometrijo gredi, geometrijo ohišja, ter notranji DIN 472 - 8 x 0.8 in zunanji DIN 471 - 3 x 0.4 vskočnik za vsakega od štirih ležajev (slika 6.12) [7].

Slika 6.11: Pravilno vpetje ležajev [8]

(56)

6.1.5 Dokumentacija

Poleg geometrijskega modela smo za lažjo predstavo in bolj podroben pogled na vse komponente izdelali še eksplozijsko sliko (slika 6.13) ter kosovnico (preglednica 6).

Slika 6.13: Eksplozijski pogled

(57)

Preglednica 6: Kosovnica

Poz

. Kos. Naziv in mere Št.

risbe/standard Material Masa [kg]

1 1 Nosilec 1 625x80x30 1 A6061 3.67

2 1 Stiskalni del 176x68x30 2 A6061 0.75

3 2 Vijak M10x1.5x100 SIST ISO 4762 / 0.07

4 2 Podložka A10 DIN 128 / 0.003

6 2 Podložka A5 DIN 137 / 0.0005

7 1 Nosilec 2 365x50x15 3 A6061 0.53

8 2 Ustavljalna plošča 4 AISI 304 0.02

9 4 Podložka A4 DIN 125 / 0.0005

10 4 Vijak M4x0.7x10 DIN 85 / 0.0018

11 1 Linearno tirno vodilo

364x15x15 HR 15 R C / 0.53

12 17 Podložka A4 DIN128 / 0.0005

14 2 Linearni tirni voziček HW 15 CC Z0 C / 0.17

15 1 Zavora FRCMAN 15

T15 LT / 0.13

16 1 Držalo za vzmet 95x50x8 5 A6061 0.09

18 1 Vzmet 34/37/4 DIN 2098 DIN 2076 0.0005

4

19 1 Vodilo za vzmet Ø5.5x32 6 AISI 304 0.006

20 1 Držalo za vodilo 52x50x13 7 A6061 0.072

22 6 Matica M2 SIST ISO 4032 / 0.0008

23 12 Podložka A2 DIN125 / 0.0004

24 1 Ohišje za pušo 28x27x8 8 A6061 0.009

25 1 Desna ročica 51x29x8 9 A6061 0.011

26 1 Leva ročica 51x29x8 10 A6061 0.011

28 1 Vodilni steber Ø8x50 E 5028 DIN

100Cr6 0.02

29 1 Vodilna puša Ø12x8 E 5156 DIN 1709-

1981 0.005

31 1 Vpenjalna plošča-1 40x10x5 11 AISI 304 0.01

34 4 Notranji vskočnik Ø8x0.8 DIN 472 / 0.003

35 4 Ležaj W 619/3 Ø8/3 ISO 5593 / 0.001

36 4 Zunanji vskočnik Ø3/0.4 DIN 471 / 0.0025

37 2 Gred Ø4x24 14 AISI 304 0.0015

(58)

6.2 Analiza statične nosilnosti

Preden nadaljujemo s tehnično dokumentacijo je potrebno preveriti ali smo ustrezno izbrali dimenzije ter material nosilcev. Med uporabo izdelka ne sme priti do večjih deformacij ali zasukov. Celoten izdelek mora imeti primerjalne napetosti pod mejo tečenja za izbrane materiale. Za analizo statičnih deformacij smo uporabili programsko orodje Solidworks.

Simulacijo smo za poenostavitev izvedli le na glavnih nosilnih elementih, ostale elemente pa smo upoštevali kot sile. Da lahko simulacijo izvedemo kar se da natančno moramo najprej poznati teže komponent, pri čemer pa si lahko pomagamo s katalogi proizvajalcev pri kupljenih komponentah ter geometrijskim modelom za po meri izdelane komponente.

S temi informacijami lahko nastavimo robne pogoje simulacije, prikazane na sliki 6.14.

Zelene puščice predstavljajo pritrditev na steber, kjer se nosilec ne more premikati, rdeča puščica predstavlja silo gravitacije, vijolični puščici pa predstavljata težo ostalih komponent.

Za izvajanje simulacije smo uporabili trikotno mrežo ter lepljene kontakte.

Slika 6.14: Robni pogoji simulacije

Rezultate simulacije lahko vidimo na sliki 6.15 in sliki 6.16. Na prvi sliki vidimo, da se največje napetosti pojavijo na drugem nosilcu in znašajo okoli 2.575 MPa, meja tečenja za izbrani material pa znaša 55Mpa. Kot pričakovano je maksimalna napetost mnogo manjša od dopustne, saj so mase komponent zanemarljivo majhne.