VZ MSM4674788501 - Technická univerzita v Liberci

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemV sekci 3 výzkum hlukových a vibračních signálů spočívá v experimentálnímověřování metod pro časově-frekvenční analýzukavitačního šumu a zdokonalování algoritmů pro analýzuvibrací převodovek a optického vyzařování z kavitačních bublin.Výzkum vibroizolačních prvků se uskutečňoval realizacíexperimentálních zařízení, měřením statických a dynamickýchcharakteristik kompozitních materiálů s pryžovou matricía sledováním vlivu stárnutí kompozitního materiálu na jehodynamické a útlumové vlastnosti. Byly zpřesněny simulačnímodely vlnovcových pneumatických pružin a pro modelovánípěnových materiálů bylo ověřováno užití metody umělých neuronovýchsítí. Byla realizována měřící platforma pro dynamickouanalýzu rozložení tlaku v kontaktní zóně sedačka-člověka prováděno měření absorpce energie mechanických vibracía sestaven zjednodušený biomechanický MKP model sedícíholidského těla. Dokončeny byly práce k aplikaci řízenéhomagnetoreologického tlumiče na sanitním lehátku, došlok zpřesnění modelu dvouplášťového automobilového hydraulickéhotlumiče s dvoufázovou kapalinou, testovacímu měřenítlumičů a ladění software pro ovládaní průtoku komorou v závislostina tlaku kapaliny. Paralelně se provádělo měření obsahuvzduchu v hydraulickém oleji pomocí akustického bublinkovéhospektrometru.Výzkum vibroizolačních systémů sledoval ověřování systémůaktivního řízení mobilních soustav, měřením na čtvrtinovémmodelu podvozku, ověřováním funkce fyzikálních modelůsanitního lehátka a automobilové sedačky na speciálníchzkušebních zařízeních. Soustava sanitního lehátka bylarozšířena o PID regulaci tlaku v pneumatických pružinách. Autoreflexnívibroizolační systém pružícího podstavce sedadlařidiče byl realizován jako pneumaticko – mechanický systémvčetně elektronického řízení. Byl zahájen výzkum účinků vibracína lidský organismus při působení v obecném směru a bylanavržena kritéria pro posuzování účinků vibrací na člověka.Výzkum robotizovaného podvozku určeného pro zdravotněsociální užití vyústil do funkčního modelu podvozku.v ejektorech a metodám optimalizace subsonického ejektoru.Byl odladěn algoritmus optimalizace vnitřního tvaru razníkupro lisování skla. Výzkum kavitace sledoval kolaps laseremgenerované bublinky, proběhla implementace analytickéhomodelu a vyhodnocení erozivního potenciálu kavitace podélpevných stěn a testovací měření spektra bublin pomocí akustickéhobublinkového spektrometru. Proběhl výzkum kavitaceza škrtícím elementem hydraulického tlumiče. Výzkumem kavitacev tekutinových mechanismech proběhla implementacejednorozměrného modelu kavitační bublinky do komplexníhomodelu fyzikálního a matematického popisu kavitační erozeobtékaných těles – lopatek. Probíhá výzkum kavitace ve vodězaměřený na experimentální vyšetřování kolapsu teplema pulsem generované bublinky v různých vzdálenostech odpevné a pružné stěny.Výzkumný záměr „Optimalizace vlastnostístrojů v interakci s pracovnímiprocesy a člověkem“ je zaměřen do čtyřzákladních oblastí výzkumu:• výzkumné směry v první části se zabývajíprocesní a konstrukční optimalizací speciálních strojůa zařízení;V sekci 4 byla výzkumem termodynamických dějů řešenaproblematika stability mezní vrstvy, kanálového proudění,ovlivnění příčným pulzujícím proudem tekutiny a problematikatermoakustiky. Pro studium stability mezní vrstvy bylanavržena tažná nádrž pro simulaci obtékání těles v různýchrežimech v klidné kapalině a byly provedeny experimenty vizualizacekanálového proudění metodou PIV. Studium pulzujícíchproudů bylo zaměřeno na stanovení charakteristikbudících členů, interferometrická měření průhybu membránys naměřeným rychlostním polem na výtoku z trysky a studiatermoakustiky a buzení syntetizovaných proudů.Probíhalo zdokonalování holografické inter ferometrie proidentifikaci nestacionárních teplotních polí. Výzkum syntetizovanýchproudů vedl k identifikaci směšovacích procesů• v druhé části je zaměřen na materiálový výzkuma pokročilé technologie;• třetí část je orientována do specifické oblastihlukových a vibračních signálů a zejména do oblastivibroizolace;• v poslední čtvrté části jsou podrobovány výzkumuvybrané termodynamické děje a jejich aplikace.Vykonavatelem výzkumného záměru je Fakultastrojní a v průběhu řešení svým záběrem využívá širokéspolupráce s dalšími fakultami TU v Liberci.2Úvodní slovo

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czVýzkumný záměr:„Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem“– řízení práce výzkumného záměru, řešitelský týmTechnická univerzita v Liberci získala ve veřejné soutěži sedmiletý projekt (2005 - 2011) – výzkumnýzáměr „Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkem“ – s uznanými nákladyv celkové výši 169,7 mil. Kč (jako příjemce formou dotací z MŠMT obdržela 137 mil. Kč a spoluúčastčinila 32,7 mil. Kč).Cílem výzkumného záměru bylo komplexní řešení specifickýchproblémů z oblasti strojírenské techniky zaměřené na optimalizacivlastností strojů a zařízení v interakci s inovovanými pracovními procesyse zaměřením na zvýšení jejich výkonnosti, životnosti a snížení energetickénáročnosti, zlepšení pracovního prostředí minimalizací vibrací,hluku a užitím nových materiálů a perspektivních technologií.Projektový tým, který zahrnoval v průběhu řešení až 75 tvůrčíchpracovníků a představoval 28,5 přepočteného úvazku, byl na dobu řešenírozdělen do čtyř pracovních sekcí, ve kterých byla řešena tematicky blízkáproblematika. Do čela každé sekce byli ustaveni vedoucí, kteří zajišťovalioperativní odborné řízení dílčích úkolů řešených v příslušné sekci.Rozdělení do čtyř řešitelských týmů usnadnilo i ekonomické řízení projektu.Vývoj kvalifikace členů řešitelského týmu v letech 2005 - 2010 Kvalifikační struktura řešitelského týmu v letech 2005 - 2010Činnost výzkumného záměruje řízena manažerským týmem ve složení:doc. Ing. František Novotný, CSc. – řešitel výzkumného záměru a vedoucí sekce1;prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld – vedoucí sekce 2;doc. Ing. Ludvík Prášil, CSc. – vedoucí sekce 3;doc. Ing. Jiří Unger, CSc. – vedoucí sekce 4;Ing. Jiří Pech – správce rozpočtu.V uplynulých šesti letech byl průběh prací, plnění cílů a výsledkůřešení výzkumného záměru každoročně hodnocen vnitřním auditem- oponentní radou, jejímiž členy byli pracovníci z akademickýchpracovišť a ÚT AV ČR.Oponentní rada pracovala v ustáleném složení:prof. Ing. Jaromír Příhoda, CSc. předseda komise, ÚT AV ČR Prahadoc. Ing. Pavel Baumruk, CSc. člen komise – oponent, FS ČVUT v PrazeIng. Milan Hortel, DrSc. člen komise – nezávislý expert PrahaRNDr. Pavel Jonáš, DrSc. člen komise – oponent, ÚT AV ČR PrahaProf. Ing. Ctirad Kratochvíl, DrSc. člen komise – oponent, FSI VUT v Brněprof. Ing. Jaroslav Menčík, CSc. člen komise – oponent, Univerzita Pardubicedoc. Ing. Pavel Rumíšek, CSc. člen komise – oponent, FSI VUT v BrněVnitřním auditem byla podrobně hodnocena úroveň věcnéhoplnění dílčích úkolů hodnocené etapy řešení výzkumného záměru,podrobně byly rozebrány dosažené výsledky a kriticky zhodnocenyuplatněné výstupy, přičemž v pěti oponentních posudcíchbyly zevrubně hodnoceny písemné podklady v úhrnném rozsahucca 1200 stran textu.Jednotlivé etapy řešení výzkumného záměru byly rovněž hodnocenyauditem MŠMT, pro který byly zpracovány 3 periodické zprávys příznivým hodnocením, které bylo základem pro zařazení výzkumnéhozáměru do nejvyšší kategorie A.Řešitelský kolektiv výzkumného záměruŘešitelské týmy jednotlivých sekcí výzkumného záměru byly složenyz odborníků z různých vědních disciplin, čímž byla zajištěna spoluprácelidí s hlubokými znalostmi fyzikálních principů, matematických metodzpracování a optimalizace dat, s technology, konstruktéry a procesnímitechniky, laboranty, odborníky na software a hardware a na řízeníprocesů strojů a zařízení.Z grafu nahoře je patrný vývoj řešitelského týmu z hlediska kvalifikačnístruktury v průběhu řešení VZ v letech 2005 – 2010 (rok 2011není zahrnutdo statistiky). Je patrné, že došlo k výraznému posunu kvalifikaceklíčových pracovníků řešitelského týmu. V souvislosti s řešením problematikyvýzkumného záměru bylo úspěšně obhájeno 26 disertačníchprací, 17 členů řešitelského týmu získalo doktorát v době řešenívýzkumného záměru, bylo zpracováno a úspěšně obhájeno 14 habilitacía podařilo se uplatnit 8 profesorských řízení.Je možné konstatovat, že vedle zkvalitnění kvalifikační strukturyřešitelského týmu byla rovněž, na platformě široce tematickyzaměřeného výzkumu v rámci VZ, realizována řada disertačníchprací v rámci doktorandského studia na pracovištích FS, došlo k obohacenídoktorské i magisterské výuky ve studijním programu Strojníinženýrství, v oborech Konstrukce strojů a zařízení, Aplikovanámechanika, Strojírenská technologie, Materiálové inženýrství a v doktorskémprogramu Stroje a zařízení. Řešením VZ se zabývala značnáčást výzkumných kapacit Fakulty strojní a do řešení byla zapojena řadaodborníků z dalších fakult TU v Liberci.Na výzkumném záměru nalezlo hlavní výzkumné uplatnění41 klíčových pracovníků s více než 50% pracovního úvazku a 12 dalšíchvýzkumníků s menším úvazkem, celkový pracovní úvazek výzkumnéhozáměru na počátku řešení v roce 2005 činil 28,1 přepočtenéhoúvazku a v roce 2010, tj. v předposledním roce řešení, nalezlo na řešeníproblémů výzkumného záměru uplatnění 77 tvůrčích pracovníků.Výzkumný záměr3

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czVýsledky výzkumupodtlakových úchopných hlavicIng. Marcel Horák, Ph.D.doc. Ing. František Novotný, CSc.Během řešení výzkumného záměru byly významné výsledky rovněž dosaženy při optimalizacipodtlakových úchopných hlavic pro robotizovanou manipulaci s plochými objekty. Počítačovousimulací byla provedena podrobná analýza deformačního chování úchopných prvků - přísavek (obr. 1)s výrazně reologickým chováním a stanovena deformační míra bezpečnosti, s ohledem nadeformace kontaktní plochy mezi přísavkou a objektem manipulace, při působení externích zátěžných sila klopných momentů.obr. 1 Deformace úchopného prvku během radiálního zatěžování (průběh kontaktních sil).Byl prováděn experimentální výzkumfrikčních poměrů na rozhraní plochéhoskla a úchopného prvku a optimálníhorozmístění a počtu jednotlivých přísavekna rámu úchopné hlavice vzhledemk uchopené tabuli skla s cílem minimalizovatdeformace tabule. Ty jsou dánynízkou příčnou tuhostí a v konečnémdůsledku mohou způsobovat nadlimitníprůběh hodnot napěťového polev uchopené tabuli a zejména při dynamickémrežimu manipulace pakdochází k progresi mikrotrhlin šířícíchse od lomových hran skla vedoucích ažk poškození tabule nebo její destrukci.Vysoké hodnoty deformací vedouk nežádoucím kontaktům v odkládacíchpozicích nebo s perifériemi výrobníchstrojů. Optimální konstrukce úchopnýchhlavic umožňuje vhodným rozmístěnímpřísavek minimalizovat nadměrnézatěžování uchopeného objektu a eliminovatvady výrobků vázané na procesmanipulace. Na obr. 2 jsou prezentoványvýstupy z počítačové modální analýzysoustavy: úchopná hlavice – přísavky- uchopená tabule skla, ze kterých jepatrná optimální poloha čtyř přísaveksymetricky úhlopříčně umístěnýchvzhledem k těžišti tabule. Výstupyexperimentů a počítačové simulace bylyshrnuty do efektivně využitelného databázovéhosoftwaru (obr. 3). Získanézkušenosti v simulaci kontaktních úlohlze uplatnit ve výrobě plochého sklatechnologií FLOAT a v následných zpracovatelskýchprocesech, ve kterých jeřada technologických operací doplněnaautomatickými systémy manipulačnítechniky. Ve výrobě se jedná zejménao manipulaci s jumbo formáty s maximálnímirozměry 3.21 x 6 m, kdy jdeo transport tabulí z válečkové trativýrobní linky do speciálně navrženýchpřepravních palet. Manipulační technikas jednoúčelovými speciálnímimanipulátory má omezenou míru flexibility,současným trendem automatizaceje náhrada manipulátorů dvěmamultiúhlovými průmyslovými robotyse šesti stupni volnosti a multikontaktnímipodtlakovými úchopnými hlavicemi(obr. 4). Řešení manipulačníúlohy, manipulačního zařízení a úchopnéhlavice si vyžádalo splnit podmínkyšetrné a bezdestrukční manipulace.Zásadním parametrem ovlivňujícímkvalitativní charakter manipulační úlohys jumbo formátovými přířezy plochéhoskla, je přesnost polohování kinematickéhořetězce průmyslového robotu.Je definována jako rozdíl ΔPV 0iA,Bmeziskutečnou a žádanou polohou koncovéhočlenu průmyslového robotu,tj. ΔPV 0iA,B= PV 0iA,B,REAL- PV 0iA,B,IDEAL, kdePV 0iA,B, REALa PV 0iA,B, IDEALjsou vektory 6x1popisující polohu natočení koncovéhobodu robotu a pozici pojezdového ústrojívzhledem k referenčnímu souřadnémusystému a závisí na polohové konfiguracia strukturálních parametrech kinematickéhořetězce (obr. 5).Výsledky výzkumu podtlakových úchopných hlavic5

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemABobr. 2 Optimální poloha přísavek, tloušťka tabule 1,6 mm (A - čtvercová deska, B - obdélníková deska s typickým poměrem stran √ 2).obr. 3 Vakuum OPTIM - výpočetní software.6

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czobr. 4 Kooperace dvou multiúhlových robotů při manipulaci s plochým sklem.obr. 5 Přesnost polohování.Uplatnění dvou paralelně kooperujících robotů při manipulacis jumbo formáty plochého skla s sebou přináší nové požadavkyna konstrukci úchopných hlavic a zajištění pohybové koordinacedráhy obou robotů. V rámci výzkumu byla pro nasazenídvou kooperujících robotů provedena metodou konečnýchprvků analýza mechanického chování uchopené tabule skla(3.21 x 6 x 0.004 m) vzhledem k rozdílné orientaci os dvou 16-tiprvkových úchopných hlavic s kompenzátorem polohy s definovanouosovou tuhostí (obr. 6).Nové technologické postupy přinášejí nové požadavky narealizaci uchopovacího procesu. Vyžadují uchopení za jednustranu desky bez možnosti využití jejich okrajů v režimech manipulacese sklem ve vertikální poloze tabule a s namáhánímpřísavek v rovině kontaktu. Takové zatížení ovlivňuje geometriikontaktní plochy vlivem frikčních, adhezních a materiálovýchvlastností elastomeru a míry podtlaku, což může vést až kekolapsu uchopení.obr. 6 Kompenzátor polohy.obr. 7 Podtlakový úchopný prvek s adhezívní kontaktní plochou: a – konstrukční řešení s pneumatickou kompenzací polohy; b – skutečné provedení.Byla navržena nová koncepce podtlakového úchopnéhoprvku s adhezní kontaktní plochou, která zvyšuje nosnostv radiálním směru při současném snižování potřebné úrovněvakua. Konstrukční řešení (obr. 7) je založeno na kombinacipodtlakového úchopného prvku s tuhou přírubou,pružným těsnícím lemem a výsuvnou polohovatelnou deskouopatřenou adhezní vrstvou, na toto řešení byl udělen užitnývzor a byla podána přihláška vynálezu, realizace je patrnána obr. 10.Princip je využitelný v širokém spektru manipulačnícha uchopovacích procesů. Je vhodný pro nerovné a hrubé povrchyobjektů a obecně pro aplikace, ve kterých působí externísíly paralelně s rovinou uchopení. Řešení rovněž minimalizujespotřebu tlakového vzduchu a zároveň zachovává úroveň silovéodezvy. Lze deklarovat, že adhezní vrstva spolu s opěrnoudeskou má výrazný vliv na stabilitu uchopení a projevuje sevýrazným nárůstem únosnosti. U stabilního kontaktu je nárůstúnosnosti v průměru o 60 %.Výsledky výzkumu podtlakových úchopných hlavic7

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemAnalýza obrazus využitím fraktální geometrieIng. Vlastimil Hotař, Ph.D.V rámci výzkumného záměru byla vyvinuta metodikapro objektivní hodnocení jakosti výrobkůs použitím matematické statistiky a fraktálnígeometrie. Cílem byla kvantifikace obrazuzachycujícího hladké i složitě strukturovanégeometrické prvky, což vedlo k nutnosti použítněkolika matematických nástrojů společně proobjektivní a jednoznačný popis obrazu. Výzkumembyl získán nástroj pro převod získanýchdat do jediného určujícího čísla popisujícíhoobjektivně jakost výrobku.Aplikační potenciál vyvinuté metodiky byl odzkoušen prokontrolu jakosti plochého skla pomocí tzv. corrugation testu(test zvlnění), který se provádí v temné místnosti a je založenna odrazu světla na vzorcích ze 4 m vzdálené zebra desky, což jematovaná skleněná tabule o rozměru 2 x 1 m s šikmými černýmipruhy. Pozorovatel vizuálně a tedy subjektivně porovnává kvalituvzorků s etalony. Vzorky se řadí do tříd jakosti od 1,5 do 3,5).obr. 1 Schéma zařízení pro off-line vyhodnocení jakosti plochého skla: A – zebradeska, B – fotoaparát, C – stůl s přířezem skla, D – vyhodnocovací jednotka (počítač),E – stativ, F – snímek přířezu s odrazem zebra desky, G – získané křivky rozhraní.Cílem bylo tento off-line test objektivizovat pomocífotoaparátu, přímo komunikujícího s počítačem a následnouobrazovou analýzou vyhodnotit jakost. Snímkování odrazuzebradesky je prováděno v černobílém módu a snímek je automatickypřeveden do počítače. Obrazová analýza v sobězahrnuje několik nutných kroků: Snímek odrazu zebradesky jeautomaticky nalezen, je v něm vybrána a následně digitálněvyříznuta potřebná část pro analýzu. Vzhledem k charakterusnímku (kde černé pruhy splývají s okolím) bylo nutné vyvinoutmetodu pro přesné určení polohy skla.Prahováním (jedna ze základních metod obrazové analýzy) jezískán binární snímek a z něj jsou definovány křivky rozhraní.Pro každou křivku je provedena analýza a výsledky pro všechnykompletní křivky jsou prezentovány pro jeden vzorek jakoprůměrná hodnota, rozpětí výsledků a směrodatná odchylka.Metodika tedy nehodnotí celý snímek, ale generuje křivky,které jednoznačně odpovídají jakosti skla.obr. 2 Porovnání dvou snímků a jejich stanovené jakosti.Pro analýzu byly využity tři metody popisu, vedle statistickýchnástrojů (rozpětí, rozptyl, směrodatná odchylka, variační koeficient,odchylka od ideální křivky a dalších) byl použit odhadfraktální dimenze (pomocí obvodové metody je výsledkemtzv. obvodová dimenze) a měření délek křivek.8

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czPro hodnocení jakosti tak bylo použito několika parametrů,které jsou získány diametrálně odlišnými metodami. Důvodemje vnímání lidského oka, které vnímá jak pravidelné struktury,tak odhaduje zároveň i míru složitosti (strukturovanosti) sledovanýchobjektů. Obrazová analýza proto musí obsahovat jakklasické statistické nástroje, tak fraktální dimenzi a další.Analýzou stovek dřívějších měření novou metodikou bylyvypočtené parametry měření porovnány s dřívějším subjektivnímhodnocením a přepočteny pomocí váhovýchkoeficientů, což umožnilo zachovat původní vnitřní normurozdělující sklo podle zvlnění do tříd jakosti v intervalu hodnotod 1,5 do 3,5.Výsledky metodiky obrazové analýzy byly implementoványdo softwaru Vlnitost, který byl vyvinut v prostředí Matlab7 a kompilovány pomocí programu Matlab-Compiler4 do samo-spustitelného programu, který není závislýna prostředí Matlab, ale pouze na jeho knihovnách, nainstalovanýchv počítači. Většina úkonů hodnocení jakosti plochéhoskla je podle nové metodikyautomatizována a analýza včetněautomatického snímkování (komunikace mezi počítačema fotoaparátem) odstartována jediným tlačítkem. Pro standardníparametry vzorku, zadané operátorem, je analýzoupodle softwaru objektivně vyhodnocena výsledná jakost.Výsledky a zadané parametry vzorku jsou dlouhodobě archivoványtak, aby bylo možno sledovat změny jakosti v čase.Základní poznatky z vývoje obrazové analýzy v rámci výzkumnéhozáměru byly použity pro návrh, instalaci a oživení zařízenív provozu, což bylo realizováno v rámci průmyslového grantus firmou AGC Flat Glass Czech, a.s., Teplice.Dalším logickým krokem v implementaci metodiky v průmysluje její využití pro objektivní hodnocení přímo na lince. Vyvinutámetodika a získané zkušenosti s provozem off – line zařízeníbyly využity pro provozní ověření on-line zařízení umístěnéhona lince a provedené experimenty prokázaly možnostefektivního funkčního nasazení pro kontinuální sledováníjakosti v provozních podmínkách.Matematický fraktál- obdivuhodný výtvor matematiky s vysokou estetickou hodnotou.Analýza obrazu s využitím fraktální geometrie9

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemOptimalizace nástrojů pro tvarování sklaIng. Ivo Matoušek, Ph.D.V rámci výzkumného záměru byla řešena také problematika optimalizace technologických procesůtvarování skloviny. Byla vytvořena dvoustupňová metodika prediktivní optimalizace umožňující nazákladě požadovaného vývoje teplotních a deformačních polí, rychlostí deformace a průběhu technologickýchparametrů tvarovacího cyklu, optimalizovat konstrukci a chlazení tvarovacích nástrojů.Jádrem systému je komplexní virtuální nelineární termomechanický model MKP. Pro zpřesněnípopisu reologických vlastností je virtuální model doplněn o externí nástroje, umožňující na základěvyhodnocení experimentálně naměřeného průběhu viskoelastické odezvy válcového vzorku sklovinyna vnější tlakové zatížení identifikovat elastické a tokové vlastnosti tvarované skloviny v závislosti najejí viskozitě a rychlosti deformace. Základem použitého algoritmu je analytický model vytvořený proefektivní popis průběhu silové odezvy viskozitního válečku na vnější tlakové zatížení, zohledňující reálnépodmínky experimentu, tj. velké deformace a proces disipace deformační energie.Navrženou metodiku lze efektivněuplatnit v předvýrobní fázi při modifikacikonstrukce sklářských tvarovacíchnástrojů a systému jejich chlazení. Obvyklýmoptimalizačním kriteriem jeminimalizace teplotních diferencí podélpracovního povrchu tvarovacíchnástrojů, především ve fázi dávkovánískloviny a také během lisování. Minimalizaceteplotních gradientů a teplotníchšpiček na pracovním povrchu tvarovacíhonástroje kladně ovlivňuje jakostníparametry vyráběné produkce, zvyšujestabilitu tvarovacího cyklu a zároveň mápozitivní vliv na zkrácení tvarovacíhocyklu (obr. 1).a. b. c.obr. 1 Rozložení teplotních polí ve vybraných modifikacích sklářské formy –a. - výchozí stav, b. - optimalizované řešení - 7. iterace, c. - optimalizované řešení při zkrácení tvarovacího cyklu o 10%.Využití prediktivní optimalizaceu tvarově složitých vodou chlazenýchrazníků umožnilo vytvořit novou koncepcichlazení, jejíž aplikce založenána cílených konstrukčních úpraváchposkytuje výrazné možnosti pro homogenizacirozložení teplotních polípodél pracovního povrchu, stabilizacitvarovacího cyklu a snížení výskytu technickýchproblémů a výrobních vad (obr.2 a 3).Navrženou metodiku lze efektivněvyužít i v případě lisování tvarověsložitějších skleněných výlisků prooptické aplikace, kde je kladen důrazna dosažení extrémních rozměrovýcha geometrických tolerancí.10

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemVývoj nového dokonalého přesného křížovéhovinutí DPKV a zařízení pro jeho navíjenídoc. Ing. Martin Bílek, Ph.D.Výzkumem přesného křížového vinutí bylo u současných navíjecích strojů zjištěno zvětšováníosových vzdáleností sousedních navíjených nití s rostoucím poloměrem navíjené cívky. Mezerydosahují u běžných textilních cívek cca 30%, v určitých případech mohou přesáhnout 100% tloušťkynavíjeného materiálu. Vznik mezer způsobuje nejenom estetické vady, např. u návinů šicích nití. Pokudje z provozně-technologických důvodů třeba do daného objemu cívky umístit co nejvíce materiálu, jsouproblémy vážnější. Typickým příkladem jsou cívky s kobercovou, případně jinou silnou přízí, šňůrou,nebo lanem. Rozměry těchto cívek jsou omezeny danou technologií, z provozních (častá výměnacívek, prostoje), popřípadě kvalitativních důvodů (nutnost častého navazování a vznik uzlů) a častoi z důvodů přepravy, kdy je požadována minimalizace objemu cívky.Problém byl zkoumán teoretickya byla zjištěna příčina, která způsobujezvětšování osových vzdáleností sousedníchnavíjených nití s rostoucímpoloměrem navíjené cívky u současnýchnavíjecích strojů a byl definován vztahurčující zvětšování osových vzdálenostísousedních navíjených nití, v závislostina rostoucím poloměru, soukacímupoměru a šířce navíjené cívky. Analýzaposkytla řadu nových obecně platnýchpoznatků a teoretických vztahů, kteréusnadňují výpočty převodů navíjecíchstrojů.Výsledkem řešení tohoto problémubylo vytvoření nového systému dokonaléhopřesného křížového vinutí(DPKV), u kterého bylo aplikováno tzv.řízené navíjení, které je možné aplikovatdo mechanizmu pro přesné křížovévinutí. Řízené navíjení umožňuje pomocívypočteného řídicího programuřídit převodový poměr mezi vřetenema rozváděcím mechanismem až na sedmémmístě za desetinnou čárkoua navíjet nitě se stejnou osovou vzdáleností,bez mezer, v celém průřezunavíjené cívky, což umožňuje realizovatnáviny s vyšším využitím daného objemuv průměru o 5-25%, ve spojení se speciálnímitechnologiemi až o 100 %.Byly vypočteny, navrženy a zrealizoványdvě varianty navíjecích systémůs DPKV. V první variantě bylo pro řízenípřevodu v průběhu navíjení využitovypočtené vačky a vypočtenýchkřivkových /globoidních/ řemenic, cožpředstavuje mechanicko-analogovýsystém řešení DPKV, který má určitáomezení v možnosti volby změnyparametrů návinu (soukací poměr)a změny rozsahu jemností navíjených nití,při změně kterých je nutný výpočet, výrobaa výměna nových vaček a řemenic.V druhé variantě bylo pro funkčnívzorek navíjecího stroje pro DPKV využitosoučasného vývoje v oblasti řízenýchpřevodů, který umožňuje programovéřízení převodu dvou os pohonů jižna osmém místě za desetinnou čárkou.To s uplatněním teorie DPKV umožnilovyužití řízených pohonů na aplikaci pronávrh a realizaci modelu navíjecího stroje,čímž se zjednodušila a zefektivnila realizacetohoto zařízení, které se tak stáváflexibilnějším tím, že změny parametrůnávinů v širším rozsahu je možné zadávatsoftwarově bez nutnosti výrobya výměny drahých převodových komponent.Tato metoda je však náročnějšína přípravu a programování softwaru.Výsledky teorie DPKV umožnilydále návrh a realizaci dnes již výrobněověřeného programu „SPIRAL“, kterýumožňuje na základě požadovanýchparametrů přesného křížového návinucívky skleněného rovingu (vzdálenostnavíjených vláken, počet bodů vratůna čele cívky, úhel stoupání na koncinávinu, a řada dalších) vypočítat a vybratoptimální převodový poměr dvouřízených převodů navíjecího stroje na8 desetinných míst za desetinnou čárkou,vykreslit počet a požadované délky spiráltvořených body vratu na čele navíjenécívky s možností jejich korekce, délkynávinu, dobu návinu a další technologicképarametry navíjecího procesu,které dosud bylo nutné pracně počítat,zkoušet a ověřovat.obr. 1 Model navíjecího stroje pro DPKV.obr. 2 Pohled na funkční vzorek navíjecího stroje pro DPKV a detail návinu.12Vývoj nového dokonalého přesného křížového vinutí DPKV a zařízení pro jeho navíjení

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemobr. 2a obr. 2b obr. 2cTímto postupem jsou připravoványprototypy značné složitosti, kde jenebezpečí chyby v datech či jinéúchylky, a skutečným ověřením, testya měřením lze před zahájením přípravyvýroby odstranit zásadní nedostatky. Typsložitějšího prototypu je zobrazen na obr.3, kde je: a) pohled na odlitek s jádremnezačištěný, b,c) konečný prototyp.obr. 3aNezbytným a velmi užitečným pomocníkempro kombinaci výrobek – unikáta tvorba 3D dat s podklady a ověřenímv prototypu, je optické měření s REVscan,které je přenosné a umožní s přesnostíobr. 3b0,05 mm získat informace o tvarusoučásti v podobě mraku bodů. Tytojsou pak softwarově převedeny v CADna 3D těleso. Hlavní výhodou přenosnéhlavice je možnost scanování tvarůobr. 3chmotných a rozměrných dílů na místěbez nutnosti přemisťování na speciálníměřící stanoviště. Ukázka přenosné hlaviceje na obr. 4 a některé z vývojovýchprototypů výrobků na obr. 5.obr. 4obr. 5ZávěrUvedené příklady jsou praktickýmivýstupy realizovaného výzkumua vývoje nových výrobků s využitímRapid Prototypingu a Reverse Engineeringus optickým scanováním.V průběhu řešení dílčích úkolů bylaověřena metodika postupu tvorbyrozmanitých prototypů a specifikoványnové možnosti rozvoje těchtotechnologií a jejich využití. Bylozhotoveno a odzkoušeno mnohorůzných prototypů z různých oblastívyužití i s porovnáním různých metod,a tedy i materiálů. Byla aplikovánai nová metodika na kombinacivýroby složitých forem obráběnímna CNC s efektivním využitím vložekzhotovených pomocí RP.16Vývoj prototypů výrobků a reverse ingeneering

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czNové materiálya pokročilétechnologie• Nástroj pro tažení s proměnnou přidržovací silou;• Nátěrová hmota s plnivy pro zlepšení otěruvzdornosti a pružnosti;2.• Monitorizace procesu obrábění analýzou signáluakustické emise při broušení;• Parametrizace technologie extruze parizonuz hlediska viskoelastických vlastností taveniny polymeru;• Měření plynotvornosti slévárenských směsí při tepelné zátěži;• Analýza výskytu kritických míst u svarků z aluminidu typu Fe 3Al.Nové materiály a pokročilé technologie17

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemNástroj pro taženís proměnnou přidržovací silouIng. Pavel Solfronk, Ph.D.Technologie tažení plechů se používá pro výrobu kovových součástí ve všech průmyslových oborech.Tato technologie umožňuje zhotovení součástí rozmanitých tvarů, rovinných nebo prostorových,jakož i součástí nejrůznějších velikostí. Výhodou takto zhotovených součástí je kvalitní povrch, vysokápřesnost předepsaných rozměrů a poměrně vysoká tuhost při minimální váze součásti. Limitujícímfaktorem při návrhu technologie tažení je maximální možná deformace tvářeného materiálu při zvolenýchtechnologických podmínkách. Jednou z rozhodujících podmínek pro výrobu kvalitního výliskupři dosažení maximální možné deformace na výlisku je určení velikosti a průběhu přidržovacího tlakupři zhotovení součásti. Při volbě malého přidržovacího tlaku dochází na výlisku ke zvlnění a následněvzniku trhliny důsledkem nedostatečné tažné vůle. V tomto případě nedochází k požadovanémupřetvoření výlisku a plastické schopnosti tvářeného materiálu nejsou využívány. V okamžiku volbyvysokého přidržovacího tlaku dochází na výlisku k nežádoucímu rozvoji deformace vedoucí ke vznikutrhliny vlivem vyčerpání plastických schopností tvářeného materiálu. Oba výše popsané případy jsoupro zhotovení výlisku nepřípustné.Cílem výzkumu v oblasti technologie tažení plechů bylvývoj nástroje umožňujícího v průběhu tažení měnit rozloženía velikost přidržovacího tlaku v závislosti na hloubce taženía tím dosáhnout maximálního využití plastických vlastnostítvářeného plechu. Tímto přístupem je možné snížit počettažných operací u složitých výlisků a dosáhnout optimálníhopřetvoření v ploše výlisku u jednodušších typů výlisků. Výsledkemvýzkumu byla konstrukce a výroba tažného nástrojes přidržovačem rozděleným na několik segmentů, které lzesamostatně ovládat hydraulickými válci. Na obr. 1 je předloženCAD model sestavy tvářecího nástroje a reálný nástroj umístěnýna hydraulickém lisu CBA 300/63 v prostorách technologickýchlaboratoří.obr. 1 CAD model nástroje a reálný nástroj na lisu CBA 300/63cZměna velikosti přidržovací síly na jednotlivých přidržovacíchsegmentech je řízena softwarem ovládajícím hydraulickýobvod. Kriteriem pro vyvození změny přidržovací síly je dosaženíhloubky tažení. Pro zjištění optimálního průběhu přidržovacíhotlaku byl využíván software PAM STAMP 2G umožňujícínumerické modelování technologických procesů tažení přirespektování všech technologických faktorů podílejících sena procesu tažení. Kromě základních vstupních dat jako jsouúdaje o mechanických vlastnostech tvářeného materiálu, tvarfunkčních ploch a volba technologických podmínek, software18

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemNátěrová hmota obsahující plniva pro zlepšeníoděruvzdornosti a pružnostiprof. Ing. Petr Špatenka, CSc.V rámci projektu byl proveden výzkum modifikace práškových polymerních materiálů s velikostíčástic v mikrometrických a submikrometrických hodnotách na bázi polyolefinu využitím nízkotlakéhoplazmového zařízení (obr. 1).Principem technologie povrchového zpracování prášků jevystavení práškového materiálu toku radikálů z plazmy, kdyje aktivován povrch polyolefinových prášků. Během procesudochází k navázání funkčních hydroxylových, karboxylovýchnebo aminových funkčních skupin na řetězec polymeru. Tímse zvýší smáčivost modifikovaného materiálu a také přilnavostčástic prášku. Současně se zpevní mikrostruktura (vlivemzesíťování během procesu) a povrch materiálu se zpevní. Tímse zvyšuje účinnost plniva proti abrazivnímu porušení. Dokonalýmmícháním během procesu je zajištěna homogennímodifikace každé částice prášku.Modifikovaný práškový materiál lze využít jako plnivodo práškových nebo vodou ředitelných barev. To je podstatoupodaného a schváleného užitného vzoru č. PUV2010-23413 „Nátěrová hmota obsahující plniva pro zlepšeníoděruvzdornosti a pružnosti“ a patentové přihlášky PUV2010-795 „Nátěrová hmota obsahující plniva pro zlepšeníoděruvzdornosti a pružnosti“.Podstatou vynálezu je vytvoření nátěrové hmoty v kapalnémnebo práškovém stavu, obsahující plnivo na bázi polyolefinupro zlepšení oděruvzdornosti a pružnosti. Polyolefin, tvořícíplnivo je v nátěrové hmotě ve stavu modifikovaném ošetřenímneizotermickou plazmou a je v nátěrové hmotě obsaženv množství od 5% objemových do 70% objemových. Ve výhodnémprovedení je nátěrová hmota kapalná nebo viskózní. Nemodifikovanýmateriál lze použít jako plnivo také, ale velmišpatně se disperguje v nátěrové hmotě a rychle se separuje.V čisté vodě dochází k separaci ihned po zamíchání. Plazmoumodifikovaný polyolefin se do nátěrové hmoty snadnopřimíchává a rovnoměrně v ní disperguje. Částice práškovéhonebo granulovaného polyolefinu mají na atomech uhlíkuv povrchové vrstvě navázánu alespoň jednu polární funkčnískupinu, která zvyšuje reaktivitu modifikovaného polyolefinus vodou. Polyolefin se tak stává hydrofilní a lépe difundujeve vodě a rozpustných nátěrových hmotách. Tím se prodlužujedoba separace a tím i použitelnost barvy s plazmově upravenýmpolyolefinem. Zároveň dochází ke zlepšení otěruvzdornosti,pružnosti, přilnavosti a doby životnosti nátěrové hmoty.obr. 1 Nízkotlaké plazmové zařízení.20

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czabobr. 2 Testy abraze:a) samotná vodou ředitelná barva po 30 000 cyklech s použitím umělého prstu, b) vodou ředitelná barva s 20 V% modifikovaného polyetylénu po 135 000 cyklech.abobr. 3 Testy práškového materiálu na rotačním abrazimetru a) barva bez plniva – 120 cyklů, b) barva s plnivem – modifikovaný práškový polyolefin – 450 cyklů.Modifikovaný práškový polyolefin lze využít i jako plnivodo práškových barev. Částice práškového nebo granulovanéhopolyolefinu mají rovněž na atomech uhlíku v povrchovévrstvě navázánu alespoň jednu polární funkční skupinu, čímžse zvyšuje i adheze práškové barvy s plnivem ke kovovýmsubstrátům. Dále je výhodné, že polymer práškového nebogranulovaného polyolefinu je alespoň v povrchové vrstvězesíťovaný, takže je tvrdší a je sám o sobě otěruvzdorný, čímžvýrazně zvýší oděruvzdornost barev, do kterých je přimíchán.Takto upravený polymer dokáže svými vlastnostmi nahraditpolyethylen (UHMWPE), který je velmi drahý.Nátěrová hmota obsahující plniva pro zlepšení oděruvzdornosti a pružnosti21

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemMonitorizace procesu obrábění analýzousignálu akustické emise při broušenídoc. Ing. Jan Jersák, CSc.prof. Ing. Jan Žižka, CSc.Kontrolní systémy, které rychle a spolehlivě monitorují stav procesu obrábění a s minimální časovouprodlevou podávají řídicímu systému stroje informaci o stavu obrobku, nástroje nebo stroje jsoudůležitým prvkem bezobslužných automatických pracovišť.Na katedře obrábění a montáže Technické univerzity v Libercibyl na rovinné brusce BPH 320A pro monitorizaci stavu břitubrousicího nástroje a sledování míry jeho opotřebení použitsystém, který vyhodnocuje signál akustické emise (AE). Správněurčit okamžik, kdy brousicí nástroj dosáhne takové míryopotřebení, že je třeba jej orovnat, je poměrně obtížné, protožeprojevy opotřebení brousicího kotouče mohou být různé.Z tohoto důvodu byly v laboratoři obrábění provedeny experimentydlouhodobého rovinného broušení obvodem kotouče,jejichž cílem bylo v průběhu obrábění posoudit, zda se projevíhladinách záznamu amplitud. Bylo zjištěno, že jejich charakterzávisí na velikosti pracovního radiálního záběru, tedy lzedobře sledovat průběh vyjiskřovacího procesu. Zejména všakbyla při zkoumání vlivu opotřebení brousicího kotouče na chovánísignálu AE zjištěna souvislost mezi charakterem záznamusignálu AE a opotřebením brousicího nástroje.Speciální metodou vyhodnocování signálu AE, který vznikápři procesu broušení, se podařilo u brousicího nástroje rozlišitjeho stav z hlediska opotřebení. Pro sledování stavu řeznéhoobr. 1 Zkušební vzorek s detailem snímače AE a analyzátor AE 10 L.vliv opotřebení nástroje na chování signálu AE. Snahou bylovyužít výhod, které skýtá vyhodnocování vysokofrekvenčníhosignálu AE, především toho, že jeho vznik přímo souvisí sevznikem třísky, toho, že se velmi dobře šíří obráběnou součástí,a proto lze umístit příslušné snímače na vhodných plocháchobrobku, které nemusí být v bezprostřední blízkosti místaobrábění, a také toho, že signál AE lze monitorovat kontinuálně,v průběhu obráběcího procesu. Pro měření emisních událostíAE v průběhu rovinného broušení obvodem kotouče bylvytvořen nový měřicí systém.Velmi zajímavé výsledky byly přitom zjištěny při hodnoceníhistogramů překmitů AE registrovaných v jednotlivýchnástroje byla použita amplitudová analýza signálu akustickéemise. Bylo navrženo a odzkoušeno unikátní zařízení k vyhodnocováníakustických emisí vznikajících při procesu obráběnív důsledku odběru třísky opracovávaného materiálu řeznýmnástrojem.Na obr. 2 je znázorněn charakteristický trend rozděleníčetností amplitud překmitů registrovaného signálu AEpři broušení orovnaným brousicím kotoučem. Pokud seběhem obrábění brousicí kotouč opotřebí a póry mezi zrnybrusiva se zanesou, změní se charakter rozdělení četnostíamplitud překmitů registrovaného signálu AE, jak je patrnéz obr. 3.22

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czobr. 2 Charakteristický trend počtu (četnosti) překmitů akustické emise v jednotlivých energetických hladináchv závislosti na zdvihu pracovního stolu při broušení orovnaným brousicím kotoučem.obr. 3 Charakteristické chování počtu (četnosti) překmitů akustické emise v jednotlivých energetických hladináchpři broušení kriticky opotřebeným brousicím kotoučem.Na základě získaných poznatků o postupu a metodě vyhodnocenísignálů AE při procesu broušení, vč. speciálního vyhodnocovacíhozařízení byla zpracována přihláška vynálezu s názvem„Způsob vyhodnocení akustických emisí při procesu obrábění“.Monitorizace procesu obrábění analýzou signálu akustické emise při broušení23

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemParametrizace technologieextruze parizonu z hlediska viskoelastickýchvlastností taveniny polymeruprof. Dr. Ing. Petr LenfeldPodstatou technologie extruzního vyfukování je vytlačování polotovaru – parizonu – ve tvaruuzavřeného tělesa. Tato kontinuálně vytlačovaná trubka je následně vyfukována přetlakem vzduchuv chlazené formě do konečného výrobku. Parizon vzniká průtokem taveniny plastu štěrbinouvytlačovací hlavy a tento průtok taveniny je ovlivňován viskoelastickými jevynenewtonovských kapalin(tavenina plastů), které mají vliv na narůstání tloušťky stěny parizonu, na narůstání průměru parizonua na prodlužování parizonu (viz obr. 1).obr. 1 Detail změny tvaru a rozměru parizonu během procesu extruze(měřící systém Aramis).obr. 2 Princip experimentálního měření narůstání parizonuu technologie extruzního vytlačování.Parametry ovlivňující viskoelastické procesy při vytlačovánílze rozdělit do dvou základních skupin. První skupinou je stavbapolymeru (distribuce molekulové hmotnosti, molekulováhmotnost a délka molekulového řetězce). Druhou skupinoujsou technologické parametry procesu vyfukování – teplotataveniny, smyková rychlost, geometrie vytlačovací hubicea trnu, doba vytlačování parizonu. Cílem výzkumu pro zajištěníkvality výrobků u technologie extruze byl vývoj jednoduchého,ale účinného řízení procesu pomocí regulace tloušťky stěnyparizonu v závislosti na vstupních parametrech materiálu (indextoku taveniny) a na parametrech procesu extruze. Podstatouvýzkumu byla monitorizace (viz obr. 2) a parametrizacetechnologie extruze z hlediska efektivity procesu se zaměřenímna vlivy ovlivňující jeho stabilitu.Z hlediska narůstání rozměru a protahování parizonu za hubicíbyly sledovány dva základní vlivy, a to smyková rychlosttaveniny a časové hledisko, jelikož změna rozměrů je časovězávislá (viz obr. 3). Smyková rychlost byla regulována otáčkamišneku vytlačovacího stroje a bylo zjištěno, že narůstáníprůměru parizonu roste spolu s nárůstem smykové rychlosti,tedy otáčkami šneku. Na druhé straně je nutné zmínit, že tvar(zejména délka) tokového kanálu (hubice) má výrazný vlivna změnu průměru a tloušťky parizonu, což je spojeno s tlakovýmiprocesy ve vytlačovací hlavě a s procesem relaxace taveniny(viz obr. 4).24

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czobr. 3 Rozměr parizonu v závislosti na jeho délce(časové hledisko) a otáčkách šneku.obr. 4 Rozměr parizonu v závislosti na velikosti štěrbinypro různé otáčky šneku.obr. 5 Graf porovnání reálného profilu parizonu s profilem vytvořeným pomocí logaritmického modelu pro materiál PE.Na základě získaných výsledků u technologie extruzníhovytlačování (viz obr. 5) byla vyvinuta „technologie predikcetloušťky polotovaru pro extruzní vyfukování“ a následně došlok začlenění této technologie do software pro inovované strojeřady GM. Vývoj, vyzkoušení a zavedení technologie predikcetloušťky polotovaru bylo ověřováno na zařízení GM 251, kteréje součástí strojního vybavení laboratoří zpracování plastůkatedry strojírenské technologie.Parametrizace technologie extruze parizonu z hlediska viskoelastických vlastností taveniny polymeru25

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czCílem výzkumu měření plynotvornosti slévárenských směsíje vytvoření uceleného přehledu důležitých vlastností slévárenskýchformovacích a jádrových materiálů se zaměřenímna měření uvolněných plynů při tepelném namáhání. Dáleshrnutí dosavadních poznatků o vývoji pojivových systémůpro výrobu forem a jader umožňuje charakterizovat důsledkytepelného ovlivnění forem a jader z pískových formovacíchsměsí, aplikovat fyzikálně-chemické výpočty pro reakce, kteréprobíhají během tepelného namáhání forem a jader a v neposlednířadě dovoluje porovnat získané výsledky s teoretickýmipředpoklady a výpočty.obr. 2 Znázornění množství uvolněných plynů pro sérii měření vybraných slévárenských směsí při 1000°C tepelné zátěže.obr. 3 Grafická závislost množství uvolněných plynů v čase při tepelné zátěži 1000°C.Analýza provedená pomocí tohoto zařízení a předempřipravených technologických postupů přispívá k uvědomě-lému výběru konkrétního typu formovací či jádrové směsi přivýrobě slévárenských odlitků z druhých druhů slitin.Měření plynotvornosti slévárenských směsí při tepelné zátěži27

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemAnalýza výskytu kritických místu svarků z aluminidu typu Fe 3AlIng. Jaromír Moravec, Ph.D.doc. Ing. Heinz Neumann, CSc.Analýza dílčích dějů svařovacího procesu se provádí matematicky v simulačním programu SYSWELDa verifikuje experimentálně. Teplotně-metalurgická a mechanická analýza realizovaná programemSYSWELD poskytuje velmi mnoho zajímavých a užitečných dat, ale neřeší místa s nebezpečím vznikutrhlin. Kritická jsou místa v materiálu či svaru, kde prostorová napjatost dosáhla nebo překročilahodnoty skutečné meze pevnosti materiálu pro danou teplotu. V rámci řešení výzkumného záměrubyl vypracován program MOVYPRO, který umožňuje detekci kritických míst srovnávací analýzou.Každému uzlovému bodu je v každém výpočtovém čase přiřazena pro příslušnou teplotu hodnota kritickénapjatosti odpovídající hodnotě skutečné mezi pevnosti materiálu pro danou teplotu. Nakonecse provádí srovnání hodnot kritického napětí s obecným napětím podle teorie HMH spočítaném v programuSYSWELD.Pro srovnávací analýzu je nutno realizovat následujícíposloupnost dílčích kroků:• Na základě teplotně-metalurgické analýzy přiřadit každémuuzlovému bodu modelu pro každý výpočtový čas číselnouhodnotu teploty.• Matematicky popsat teplotní závislost meze pevnostipříslušného materiálu.• Na základě matematického popisu průběhu funkce teplotnízávislosti meze pevnosti a na základě znalosti hodnotyteploty v uzlovém bodě, přiřadit každému uzlovému bodumodelu hodnotu tzv. kritické napjatosti, tedy hodnotu, přijejímž překročení dojde k porušení celistvosti.• Všem uzlovým bodům modelu přiřadit hodnoty prostorovénapjatosti spočítané při mechanické analýze.• Provést porovnání hodnot přiřazené kritické napjatostia spočítané prostorové napjatosti a vyhodnotit body, vekterých je hodnota spočítané napjatosti vyšší než hodnotakritické napjatosti.• Vyhodnotit výpočtové časy, ve kterých došlo u nějakéhouzlového bodu k překročení kritické hodnoty napjatostia zjistit počet těchto bodů. Výsledkem je tabelárnízpracování dat.Jako příklad provedených analýz budou uvedeny dílčívýsledky pro tupý svar dvou desek o rozměrech 180x60x5 mm.Svar byl zhotoven bez přídavného materiálu metodou 141v ochranné atmosféře Ar 4,8 od firmy Air Products. Kořen byl natavidlové podložce – tavidlo OK FLUX 10.47 (SF AB 1 65 AC H5).Svařované desky byly upnuté ve čtyřech místech a při svařováníbyly umístěny na vyhřívané desce. Teplota předehřevu bylastanovena na 200 °C. Svařovalo se mechanizovaným způsobem,stejnosměrným proudem s přímou polaritou (U = 13,9 V, I = 114A, v = 0,375 mm s -1 ). Po svařování byly svařené desky umístěnédo pece vyhřáté na teplotu 700 °C. Po výdrži 2 hodiny byla pecvypnuta a chladnutí probíhalo ve vypnuté peci.Při výpočtech byl používán tzv. dvouelipsoidní zdroj tepla.Pohled na výpočtový model v oblasti svarové lázně je na obr.1. Celkový čas svařování je 480 s. Při simulačním výpočtu je dočasu 500 s uvažováno umístění desky na podložce o teplotě200 °C, potom se uvažuje volné chladnutí na vzduchu.obr. 1 Provedení modelu v oblasti svaru a výpočtem stanovený obrys svarové lázně.28

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czNa obr. 2 je výsledek analýzy pro uzlový bod v teplem ovlivněnéoblasti, kde maximální teplota ve fázi ohřevu dosáhla 1125 °C.Z obrázku je zřejmé, že k překročení kritického napětí dochází vefázi ohřevu při 1054 °C a končí ve fázi ochlazování při 984 °C.obr. 2 Analýza napjatosti v průběhu svařovacího procesu pro uzlový bod v teplem ovlivněném pásmu.Na dalším obr. 3 je výsledek analýzy pro uzlový bod, který ležíjiž 16 mm od hranice ztavení v polovině délky svaru. Z obrázkuje zřejmé, že maximální teplota dosažená v průběhu svařovacíhoprocesu byla přibližně 525 °C a vypočítané napětí je běhemprocesu svařování i ochlazování podstatně nižší než kritické.Z hlediska možného vzniku trhlin se jeví tato oblast již bezpečná.obr. 3 Analýza napjatosti v průběhu svařovacího procesu pro uzlový bod v teplem ovlivněném pásmu.Analýza výskytu kritických míst programem MOVYPRO jevýznamným přínosem pro aplikaci výpočtového programuSYSWELD u materiálů s výraznou náchylností k tvorbě trhlina obtížně svařitelných materiálů. Na základě simulačních výpočtůa stanovení kritických míst je možná hlubší analýza svařovacíhoprocesu z hlediska napjatosti ve svařovaných detailech. Lzetak ověřovat vliv a účelnost změn technologických parametrůběhem svařovaní na stav vnitřní napjatosti ve svařovaných dílecha na nebezpečí vzniku trhlin. Nepříjemností takové analýzy jeznačná časová náročnost.Analýza výskytu kritických míst u svarků z aluminidu typu Fe 3Al29

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemVibroizolačníprvky a systémy• Analýza cyklických hlukových a vibračních signálůa kavitačního šumu;• Modelová a experimentální identifikace materiálovýcha silových charakteristik pružících prvků;• Modelování mechanických vlastností polyuretanové pěny;3.• Analýza a simulace zatěžování sedáku a hlavové opěrkyautomobilové sedačky;• Výzkum hydraulického a magnetoreologického tlumiče;• Výzkum účinků vibrací v obecném směru na lidský organismus;• Výzkum aktivního řízení odpružení sedačky řidičea platformy sanitního lehátka.30Vibroizolační prvky a systémy

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czAnalýza cyklických hlukovýcha vibračních signálů a kavitačního šumuprof. Ing. Karel Vokurka, DrSc.Tradiční přístup používaný při analýze cyklických vibrací a hluků je založen na předpokladu jejich stacionárnosti,což umožňuje získávat statistické charakteristiky (např. autospektrální hustoty) spojitýmprůměrováním v čase. Spojitým průměrováním v čase se ovšem ztratí časová závislost a získané charakteristikypopisují vibrace pouze ve frekvenční oblasti, tj. nezávisí na čase. I když tento přístup poskytujev celé řadě aplikací uspokojivé výsledky, někdy může být výhodnější znát časově-frekvenční statistickécharakteristiky cyklických vibrací a hluků. Ty totiž umožňují sledovat spektrální složení vibrací a hlukuv průběhu pracovního cyklu a tudíž i umožňují přiřadit určitým dějům nastávajícím během pracovníhocyklu odpovídající spektrální složky. Při námi používaném přístupu k měřeným signálům se spojitéprůměrování v čase nahrazuje periodickým průměrováním.V rámci výzkumného záměru byly vyvinutyalgoritmy pro výpočet dvojnásobnýchautokorelacích funkcí, dvojnásobnýchautospektrálních hustot a reálnýcha komplexních okamžitých autospektercyklických hluků a vibrací. Komplexníokamžité autospektrum představujejednu z možných časově-frekvenčníchcharakteristik cyklostacionárních signálůa ukazuje se, že to je velice užitečný nástrojpro analýzu cyklických signálů. Jako konkrétnípříklad na použití popisované metodylze uvést výsledky získané běhemzkoušek převodovky osobního automobilu.Měřená převodovka měla tři hřídele(vstupní, hlavní a výstupní). Pro analýzubyl použit signál ze snímače zrychlenívibrací (akcelerometru). Signál byl zaznamenánpři otáčkách vstupního hřídele3000 min-1, zatížení 20 Nm a zařazenémtřetím převodovém stupni. Signál z akcelerometrubyl zaznamenán pomocí analyzátorusignálů. Vzorkovací frekvencebyla nastavena na 32 768 Hz, délka za-znamenávaného signálu byla 2 s (cožodpovídá 65 536 vzorkům). Současně sezáznamem vibrací byly rovněž nahráványtachopulsy odvozené od vstupníhohřídele. Příklad vypočteného okamžitéhoautospektra vibrací převodovky je uvedenna obr. 1. Na obr. 2 je ukázána frekvenčnízávislost (řez) absolutní hodnoty komplexníhookamžitého autospektrazrychlení vibrací převodovky v čase t 2≈10ms a v blízkosti první zubové frekvence.Chod celé řady cyklicky pracujících hydraulickýchstrojů (např. čerpadel a turbin)je doprovázen nežádoucí kavitací, cožje složitý, dynamický, nelineární fyzikálníproces, který přes obrovské úsilí v mnohašpičkových zahraničních laboratoříchnení stále dostatečně prozkoumán. Prosprávnou interpretaci námi naměřenýchúdajů se ukázalo nezbytně nutné zařaditdo výzkumu i studium volných kmitůosamocené modelové kavitační bublinky.Bylo vybudováno pracoviště, ve spoluprácis katedrou fyziky FEL ČVUT v Praze,využívající tzv. jednobublinkovou kavitaci.Modelová bublinka se vytvářela přielektrických výbojích pod vodou, bylauskutečněna spolupráce s význačnýmzahraničním pracovištěm (Akustickýmústavem CNR v Římě), které má k dispozicivhodnou experimentální aparaturu.Na obr. 3 jsou vybrané snímky z filmovéhozáznamu modelové kavitační bublinkygenerované elektrickým výbojem vevodě.obr. 1 Absolutní hodnota komplexníhookamžitého autospektrazrychlení vibrací převodovky.obr. 3 Vybrané snímky z filmového záznamu modelové kavitační bublinky generované elektrickým výbojem ve vodě.obr. 2 Řez autospektremukazující průběh frekvenčního spektra.Analýza cyklických hlukových a vibračních signálů a kavitačního šumu31

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemModelová a experimentální identifikacemateriálových a silových charakteristikpružících prvkůprof. Ing. Bohdana Marvalová, CSc., doc. Ing. Iva Petriková, Ph.D.,doc. Ing. Ludvík Prášil, CSc., doc. Ing. Dalibor Frydrych, Ph.D.Výzkum byl zaměřen na stanovení materiálových parametrů pryžových kompozitů vyztužených textilnímikordy při víceosém namáhání, z nichž jsou vyráběny pláště vzduchových pružin (obr. 1). Aby bylyexperimentální podmínky co nejvíce podobné skutečným podmínkám při provozu vzduchových pružin,je třeba vyvolat v experimentálních vzorcích rovinnou napjatost. Proto byl navržen, vyroben a odzkoušenmodifikovaný speciální biaxiální upínací přípravek Arcan, který umožňuje vyvolat rovinnou napjatostv kompozitním vzorku při jednoosém zatížení na zkušebním stroji (obr. 2). Ve spolupráci s firmou Rubenav Náchodě byly vyrobeny rovinné kompozitní desky, které jsou vyztuženy dvěma vrstvami tvořenýmiviskozovými nebo polyamidovými kordy, které jsou vůči sobě natočeny pod různými úhly. Byla vypracovánametodika experimentu pro určení elastických a viskoelastických vlastností těchto kompozitů přivíceosé napjatosti a byla provedena měření. Zároveň byly navrženy modely těchto materiálů, konstitutivnívztahy byly implementovány do prostředí Comsol-Multiphysics a provedeny ověřovací výpočty provzduchovou vakovou pružinu (obr. 3).Souběžně probíhal i výzkum frikčníchvlastností pryže a jejího opotřebenítřením. Byla provedena měření třecíhokoeficientu pryže v závislosti na rychlostia přítlačné síle. Současně s frikčnímiexperimenty probíhala i dynamickámechanická analýza těchto materiálů,byly stanoveny dynamické modulya zkoumána závislost mezi ztrátovýmmodulem a koeficientem tření. Bylonavrženo a realizováno vlastní experimentálnízařízení pro měření tření elasto -merických materiálů (obr. 4).Pro vývoj magnetoreologickýchkompozitů bylo navrženo experimentálnízařízení na bázi elektromagnetuk řízení kompozitů magnetickým polem.Byla měřena permeabilita, magnetizacea magnetostrikce na vyrobenýchvzorcích, navrženy modely magnetomechanickévazby, implementoványdo prostředí Comsol-Multiphysics a provedenyověřovací výpočty napětí a deformacevzorků při současném zatíženímechanickým a magnetickým polem(obr. 5).K nejvýznamnějším výsledkům patřívypracování metodiky měření a jejíověření při zjišťování řady materiálovýchparametrů pryže a pryžových kompozitů.Konstitutivní vztahy těchto materiálůbyly implementovány do prostředí Comsol-Multiphysicsa provedeny numerickésimulace experimentů pomoci MKP.V dílčí úloze Vývoj modelů vlnovcovýchvzduchových pružin lzepovažovat za nejvýznamnější výsledekexperimentálně ověřený matematickýmodel geometrických, statických tlakovýcha silových charakteristik vlnovcovýchpneumatických pružin a jehoimplementace moderními programátorskýmitechnikami. Model poskytujedostatečně přesné výsledky a je významnoupodporou při návrhu systémů sevzduchovými vlnovcovými pružinami.O výsledky tohoto výzkumu projevujezájem výrobce vzduchových pružinRubena Náchod a.s..obr. 1 Zatěžovací zařízení a optický systéms digitálními kamerami.obr. 2 Upravený Arcan upínací přípravekzkušebního vzorku a kamera DANTEC Q40032

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czobr. 3 Částečný model válcové vzduchové pružiny v zatíženém stavu.obr. 4 Zařízení pro měření tření elastomerických materiálů.obr. 5 Norma hustoty magnetické indukce deformovaného bloku.Modelová a experimentální identifikace materiálových a silových charakteristik pružících prvků33

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemModelování mechanických vlastnostípolyuretanové pěnyIng. David Cirkl, Ph.D.Pro komfort pasažérů jsou určující vlastnosti sedačky, zejména jejich čalounění, které je takřkavýhradně vyráběno z polyuretanové (PU) pěny, materiálu, který je od doby svého uvedení na trhneustále vyvíjen a jeho vlastnosti jsou zlepšovány. Současně se rozvíjejí experimentální a numerickémetody, které umožňují navrhovat virtuální prototypy, které zrychlují a zefektivňují vývojový cyklus,k tomu je nezbytný popis reálných vlastností polyuretanu a jeho fyzikální projevy matematicky popsata implementovat do počítačové simulace. V oblasti PU pěny byly použity následující přístupy.Fenomenologický model je vytvořen na základě pozorovánía umožňuje odhalit fyzikální podstatu chování materiálua těmto vlastnostem přiřadit vhodné elementární modelya vztahy. PU pěna je viskoelastický materiál a její modelje reprezentován soustavou prvků s nelineární charakteristikou,tj. pružin, viskózních a třecích tlumičů. Ke zjištění parametrůmodelu bylo realizováno velké množství experimentů, z nichžje zřejmé, že na nelineární pružení se váže tlumení, které jedáno jednak ztrátou energie při deformaci základní pórovitéstruktury a také může být způsobeno ztrátami při prouděnívzduchu póry, kterými je při deformaci vytlačován a přiodlehčení nasáván zpět do porézní matrice. K odhalení poměruzastoupení těchto dvou příčin bylo provedeno měření ve vakuu,kde k druhému z jevů nemůže docházet. Porovnání s výsledkyprovedenými v atmosféře ukazuje, že ztráta energie způsobenáprouděním vzduchu póry je vzhledem k tlumení materiálovématrice zanedbatelná a tento závěr platí i pro vzorek PU pěnyvyříznutý ze sedáku.Matematický model je rozvinutím předchozího přístupu,kdy je snahou nalézt takové matematické vztahy, které chovánímateriálu nejlépe vystihují bez přímého ohledu na jeho příčiny.V této oblasti bylo dosaženo velmi dobrých výsledků v oblastisimulace tlumení. To bylo vyšetřováno nejen v závislosti na parametrechvibrací, ale i na hustotě materiálu a jeho teplotě. Jezajímavé, že pěna, která je v závislosti deformace-síla velminelineárním materiálem, vykazuje lineární chování závislostimnožství disipované energie na frekvenci vibrací.Umělé neuronové sítě jsou dalším prostředkem k modelovánívlastností PU pěny, jde o softwarový nástroj založenýna napodobení schopnosti mozku se učit a předvídat. Cílemje určení vazby mezi vstupem (úroveň vibrací) a výstupem(chování pěny), přičemž samotný systém, který tuto vazbuzajišťuje, je zde považován za černou skříňku. Tento přístuptedy nevyžaduje fenomenologický pohled, řešitel musíovládat metodu, tedy práci s umělou neuronovou sítí. Jepozoruhodné, že sítě i s poměrně malým počtem neuronůposkytují slibné výsledky. Potvrzuje se, že silová odezva PUpěny je dána zejména velikostí a rychlostí deformace, nikolizrychlením deformace. Zakomponování zrychlení do učícíchvzorů nezlepšovalo výsledky výstupů. Dosažené výsledkyv této úloze byly využívány zejména při optimalizaci automobilovýchsedaček.obr. 1 Struktura polyuretanové pěny.obr. 2 Průměrná relativní chyba naučení umělé neuronové sítě.34Modelování mechanických vlastností polyuretanové pěny

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czAnalýza a simulace zatěžování sedákua hlavové opěrky automobilové sedačkyIng. Jan Petřík, Ph.D., Ing. Rudolf Martonka, Ph.D.,doc. Ing. Vítězslav Fliegel, CSc., Ing. Michal Petrů, doc. Ing. Ludvík Prášil, CSc.V rámci dílčí úlohy byly experimentálně zjištěny nelineární charakteristiky polyuretanové pěny a potahovélátky, vytvořen MKP model sedáku automobilové sedačky bez potahu a s potahem, sestavenzjednodušený biomechanický MKP model sedícího lidského těla, provedena analýza rozložení tlakuv kontaktní zóně a její optimalizace virtuální simulací. Pro simulaci zatěžování sedačky s potahovoulátkou byl použit výsledný rovnovážný stav ze simulace předpětí potahové látky. Cílem bylo provedeníanalýzy rozložení kontaktního tlaku pro sedák s potahem a bez potahu.Na sedačce bez potahu je zřejmé lepšírozložení tlaku s menší maximální hodnotoukontaktního tlaku. Na sedačces potahem dochází k rozložení tlaku namenší ploše a vznikají oblasti s vysokýmikontaktními tlaky. Je zřejmé, že potahoválátka výrazně ovlivňuje vlastnostiautomobilového sedáku a při analýzekomfortu nelze tuto vlastnost zanedbat.obr. 1 Rozložení kontaktního tlaku pro sedák bez potahu a s potahem.Při zachování tvaru sedáku byla jehopůvodní tvrdší vrstva pěny rozšířenao vrstvu měkčí pěny v kontaktní zóně.Touto sendvičovou komfortní vrstvoubylo dosaženo lepšího rozložení kontaktnítlaku do větší plochy a bylysníženy špičky tlaku pod pánví.Výsledky simulací pomohou s optimalizacíprototypu sedačky i ve smysludodržení žádaného tvaru. Potahoválátka je na sedačce předepnuta a jejípředpětí ovlivňuje výsledný tvar sedákui opěráku. Model lze použít pro simulacidynamického zatěžování a je vhodnýpro hledání synergie mezi statickýma dynamickým kritériem komfortu.Pro zjišťování dat pro simulace bylystanoveny metodiky měření a realizoványzařízení:• dvouosý zatěžovací rám pro měřenívlastností textilie potahu při dvouosénapjatosti,• prototyp sedáku automobilovésedačky se stejnými vibroisolačnímivlastnostmi při snížené výplni polyuretanovépěny a zachování původnívýšky sedáku,• zařízení k měření prodyšnosti vícevrstvýchmateriálů a kompletníchsedaček.Na měřícím zařízení (viz obr.) bylyzjišťovány statické a dynamické vlastnostisamotných polyuretanových výplnía celých automobilových sedačeks potahem.Simulace dynamického namáhánívzorků z polyuretanové pěny byla provedenaMKP pomocí Kelvinova reologickéhomodelu. Materiálový model byl verifikovánpomocí analýzy přenosových charakteristikvzorku polyuretanové pěny. Při výpočtubyl použit stacionární pseudonáhodnýsignál obsahující frekvence mezi 1 až 15 Hza maximálním zrychlením 0,2g.obr. 2 Rozložení kontaktního tlakupro sedačku s potahem - sendvičobr. 3 Konečný stav simulace – sendvič.Analýza a simulace zatěžování sedáku a hlavové opěrky automobilové sedačky35

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czVýzkum hydraulickéhoa magnetoreologického tlumičeprof. RNDr. Jan Šklíba, CSc., Ing. Radek Votrubec, Ph.D, doc. Ing. Ludvík Prášil,CSc.,Ing. Miloš Müller, Ph.D., Ing. Jan Kolaja, Ph.D., Ing. Radek Matějec, Ph.D., Ing. Aleš Lufinka, Ph.D.Výzkumné práce v této dílčí úloze byly zaměřeny na identifikaci vlastností hydraulických tlumičůa vymezení podmínek vzniku kavitace za škrtícím elementem hydraulického tlumiče a studiummožností jejího omezení. Experimentálně byly získány závislosti asymptotických hodnot součiniteleprůtoku ventilovou štěrbinou na jeho zdvihu, které zatím nejsou ve světové literatuře publikovány.Sledovány byly oba pístové ventily tlumiče – odlehčovací a zpětný.Globální charakteristika hydraulickéhotlumiče, tj. 3D závislost síly tlumiče na relativnírychlosti a relativním zrychlení pístuvůči pracovnímu válci byla úspěšně identifikovánapro tři výkonově rozdílné tlumiče(pro sedačku řidiče a pro osobní a užitkovýautomobil).Identifikace globální charakteristikypředstavuje novou metodu popisu tlumičů,tlumících prvků, systémů pružina-tlumičpoužívaných pro odpružení nápravy u automobilua jiných pneumatických a hydraulickýchtlumících systémů. Jedná seo globální charakteristiku, která vyjadřujetlumící sílu jako funkci rychlosti a zrychlenírelativního pohybu pístnice a pracovníhoválce, na rozdíl od standardně používanérychlostní charakteristiky, která obsahujehysterezní smyčky závislé na frekvenci pohybu.Metoda byla úspěšně aplikovánana tlumičích různých rozměrů a vlastnostía byla použita na identifikaci tlumícího systémupružina-tlumič použitého jako součástna čtvrtinovém modelu automobilu.Pro vymezení podmínek kavitace v hydraulickýchtlumičích byla aplikovánaspeciální testovací komora (viz obr.) prosledování vzniku a vývoje kavitačních bublinpřímo na reálném škrtícím elementutlumiče pomocí optických a akustickýchmetod. Komora představuje unikátnísystém a umožňuje komplexní přístupk vyšetřování kavitace v hydraulickémtlumiči. Komora je protékána olejem generovanýmpomocí hydraulického válcena rozdíl od reálného tlumiče, kde je tekutinav klidu a pohybuje se tlumič.Komora 1 má dva páry průhledů 2, 3 vyrobenýchz průhledného plexiskla, kteréslouží pro instalaci senzorů akustickéhobublinkového spektrometru. Tlaky v nízkotlakéa vysokotlaké části jsou měřeny pomocísnímačů 4 a 5. Pro vyrovnání kolísánítlaků je použita expanzní nádoba. Hadice7 je použita pro plnění komory olejem. Abybyl minimalizován parazitní průtok oleje, jena komoře použit pneumaticky ovládanýkulový ventil 8 řízený elektroventilem9. Otevření a zavření ventilu je detekovánokontaktním snímačem 10. Odvzdušněnísystému je provedeno ventilem 11. Komoraje napájena z hydraulického generátoru12. Ventil 13 je pak určen pro vypouštění.Experimenty byly rozčleněny na měřenínukleačních jader pomocí zrcadlovéhoobjektivu a ABS, měření aktivit kavitacepomocí rychlokamery a akustické měřeníkolapsů bublinek (hydrofon). Detekcevelikosti a počtu kavitačních jader spolus detekcí aktivit bublinek umožňuje celkovýpopis kavitace v hydraulickém tlumiči.Variabilita systému umožňuje instalacia testování různých provedení hydraulickýchtlumičů a jejich případnou optimalizaci.O výsledky tohoto výzkumu projevujízájem výrobci hydraulických tlumičů(Brano-Ateso, a.s.)Při výzkumu magnetoreologickýchtlumičů byl vytvořen analýzou statickýcha dynamických vlastností tlumiče a jehoidentifikací simulační model pro tlumičfirmy Motion Master.Statické a dynamické vlastnosti tlumičebyly určeny na základě analýzy měřenýchsignálů. Pro nelineární dynamickousoustavu se dvěma vstupy byla zvolenaidentifikovaná struktura skládající se zestatické charakteristiky a dvou obrazovýchpřenosů popisujících dynamické chovánípři změnách rychlosti a budicího proudu.Pro identifikaci obrazových přenosůbylo vytvořeno několik aplikací v prostředíLabView používajících simplexové metodyhledání minima účelové funkce. Analyzovánobylo 504 průběhů síly při přechodovémději od změny budicího proudu. Na vybranýchprůbězích byly ukázány závislostičasových konstant na vstupních veličinách.Pro obrazový přenos od budicího prouduplatí, že časové konstanty závisí na směruskoku proudu, nezávisí na směru pohybupístnice a se zvyšujícím proudem sezmenšují.Na základě identifikace byl vytvořenkompletní model magnetoreologickéhotlumiče, určeny závislosti časových konstantna vstupních veličinách tlumičea identifikovány dynamické vlastnosti.Určení časových konstant tlumiče bylorozhodující pro jeho aplikaci při aktivnímtlumení horního otočného rámu platformysanitního lehátka.obr. 1 Měřicí komora pro vyhodnocovánívznikukavitace na hydraulickém tlumiči.obr. 2 Měření na magnetoreologickém tlumiči.Výzkum hydraulického a magnetoreologického tlumiče37

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemVýzkum účinků vibrací na lidský organismusv obecném směruIng. Jiří Blekta, Ph.D.,doc. Ing. Josef Mevald, CSc.,Ing. Aleš Lufinka, Ph.D.Cílem této dílčí úlohy bylo vytvořit zařízení, schopné realizovat buzení lidského organismuv obecném směru a následně doporučit návrhy na realizaci optimálních pružících soustav.Stavba unikátního zařízení, kteréje schopné generovat pohyb v obecnémsměru, byla dokončena v roce2008. Plošina zařízení pro umístěnízkušebních objektů má šest stupňů volnosti,prostorově pohybuje s předmětydo hmotnosti 250 kg s tím, že v jednomsměru dokáže vyvinout rychlostvětší než 1 m.s -1 . Hydrodynamické válcepracují s maximálním zdvihem ±70 mma sílou až 25kN. Pro buzení je možnévyužít buď kombinaci harmonickýchsignálů různých průběhů a nebo signálnaměřený v reálném prostředí, např.na podlaze kabiny pracovního stroje,který může být následně v laboratorníchpodmínkách reprodukován. Tatomožnost představuje pro výpočtářevelmi důležitou zpětnou vazbu, kteráspočívá v okamžité možnosti ověřenísprávného naladění sedadla.Na zařízení byla uskutečněna celá řadazkoušek. Jednou z nich bylo např. laděníparametrů dynamického absorbérukmitů, který byl speciálně vyvinut proinstalaci na sedadlo operátora důlníhostroje Schrs 1320, (SHD Tušimice).Měření probíhalo s pasivní i aktivnízátěží a budící signál odpovídal svýmspektrem nejčastěji se vyskytujícímusignálu, který se na podlaze důlníhostroje vyskytuje. Pomocí výsledků testováníbylo možné rychle a efektivněstanovit optimální parametry naladěnídynamického absorbéru.Pro zkoušení prostorového zatíženílidského těla byly vyvinuty speciálníkombinované snímače síly a zrychlení.Ty umožňují v daném bodě měřitenergetický přenos vibračních účinkůdo těla člověka. Tento způsob ověřovánívibroizolačních vlastností sedadel je velmijednoduchý a zdá se být kvalitativněrovnocenný s dražšími a náročnějšímipostupy. Metodika má silný potenciálpro komerční uplatnění.obr. 2 Umístění sedadla na plošině zkušebního zařízení.obr. 1 Zkušební zařízení pro výzkum účinků vibrací na lidský organismus v obecném směru.obr. 3 Model sedadla s dynamickým absorbéremv prostředí MSC.ADAMS.38Výzkum účinků vibrací na lidský organismus v obecném směru

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czVýzkum aktivního řízení odpružení sedačkyřidiče a platformy sanitního lehátkaprof. RNDr. Jan Šklíba, CSc., doc. Ing. Bedřich Janeček, CSc.,Ing. Michal Sivčák, Ph.D., Ing. Radek Votrubec, Ph.D.V Hydrodynamické laboratoři Fakultystrojní bylo v rámci výzkumného záměru vyvíjenoa testováno aktivní řízení odpruženísedačky řidiče s pneumatickou pružinou(obr. 1). Řídicí systém byl miniaturizována byl vestavěn do konstrukce sedačky.Sedačka je vyvíjena pro nákladní automobily,autobusy, zemědělské a stavebnístroje. Funkční vzor aktivně řízené sedačkyřidiče byl zabudován do nákladního automobiluTatra a byl testován na silnicícha testovacích drahách společnosti TatraKopřivnice (obr. 2) a o výsledky výzkumuprojevuje zájem výrobce automobilovýchsedaček firma C.I.E.B. Kahovec.Zkušenosti, získané ze zkoušek bylyvyužity ke konstrukčním úpravám sedačkya při tvorbě efektivnějších algoritmů řízenísedačky. Aktivní řízení odpružení sedačkyřidiče na nákladních vozech, stavebnícha zemědělských strojích přinese zlepšeníjízdního komfortu řidiče, snížení fyzickéhozatížení řidičů a spolujezdců a tím zvýšíbezpečnost dopravy. Hlavně se ale omezívznik nemocí z povolání od nepříznivéhonamáhání páteře vibracemi během jízdy.Druhou vibroizolační soustavou, u kterébylo vyvíjeno aktivní řízení odpružení jeprototyp platformy sanitního lehátka. Připřepravě pacienta jsou vibrace přenášenéod vozovky na jeho tělo velmi škodlivé,nejen že přinášejí další bolesti poraněnýchorgánů, ale mohou nepříjemně působiti na opatření související s poskytnutouprvní pomocí.Platforma je složená ze tří rámůuložených na pneumatických pružinách.Spodní rám tvoří paralelogram zajišťujícípohyb ve vertikální ose. Horní dva rámyjsou otočné a umožňují naklápění ve dvouhorizontálních osách. Pohyb jednotlivýchrámů je ovládán na základě změny tlakuv pneumatických pružinách. Řídicí systémse skládá z regulačního obvodu polohyparalelogramu, jehož regulátor určujetlak pro spodní pružiny, který pak určujesoučty tlaků v jednotlivých dvojicíchpružin horních otočných rámů, čímž jedosaženo momentové rovnováhy v jejichuložení. Natočení rámů je dáno poměremtlaků protilehlých pružin. Každá pružinaje ovládána elektropneumatickým ventilema má vlastní čidlo tlaku. Na lehátkujsou dále použita tři čidla polohy a tři čidlazrychlení pro jednotlivé rámy. Všechnačidla a akční členy jsou připojeny na měřicíkarty v PC. Řídicí aplikace je naprogramovánav prostředí LabVIEW. Základníúlohou řízení je inicializace do základníhorizontální polohy. Platforma byla testovánave čtyřech režimech. V prvním režimuřízení na konstantní žádanou hodnotutlaku v pružinách, v druhém režimu řízenís konstantní žádanou hodnotou střednípolohy paralelogramu vůči podstavělehátka a ve třetím režimu řízení na konstantníabsolutní polohu horního rámuvůči okolí. Čtvrtý režim je kombinací dvoupředchozích, tj. řízení na dodržení absolutnípolohy horního rámu s pomalouzměnou této žádané hodnoty směremke střední hodnotě polohy paralelogramu.Měření se provádí na elektrohydraulickémpulzátoru (obr. 3). Spodní rám platformylehátka je pomocí křížové konstrukcepřipevněn na tři hydraulické válce, kteréumožní libovolné buzení. Pro sledováníchování lehátka a nastavování řídicíchobvodů bylo použito budicích harmonickýchsignálů s proměnnou frekvencí od 0.1do 4Hz, a to jednak při buzení vertikálním,tj. všechny tři válce se pohybují současněsynchronně a jednak při kývání v podélnémi příčném směru. Dále bylo testovánochování lehátka při přejetí překážkya s buzením odvozeném od reálného signálunaměřeného za jízdy automobilu. V rámciměření byla provedena též frekvenčníanalýza signálů pro různá zatížení do 120kg.Na otočných rámech jsou použity řízenémagnetoreologické tlumiče (obr. 4).Aktivním řízením platformy lehátka sepodařilo výrazně omezit amplitudu vertikálníchkmitů i natočení horního rámua zvýšit tak komfort přepravovaného pacienta.Použitím magnetoreologickýchtlumičů bylo dosaženo výrazného utlumenípohybu horních otočných rámů.obr. 1 Zkoušky v laboratoři.obr. 2 Zkoušky na voze Tatra.obr. 3 Měření platformy lehátkana elektrohydraulickém pulzátoru.obr. 4 Magnetoreologický tlumič na platforměsanitního lehátka.Výzkum aktivního řízení odpružení sedačky řidiče a platformy sanitního lehátka39

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemOptimalizacetermodynamickýchprocesů v subsystémechenergetických strojů• Numerická simulace kavitace v ozubených kolech;• Kolaps kavitační bublinky v blízkosti stěny;• Magnetohydrodynamika a rekrystalizační procesy;• Optimalizace a řízení směšovacích procesů.4.40Optimalizace termodynamických procesů v subsystémech energetických strojů

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czNumerická simulace kavitacev ozubených kolechIng. Stanislav Jirouš,doc. Ing. Karel Fraňa, Ph.D.ÚvodOzubená kola slouží k přenosu a transformaci energie pomocí tvarové vazby profilu ozubených kol.Při záběru uvažujeme existenci tenké olejové vrstvy, která vzniká na povrchu kol při mazání soukolí.Tento tenký olejový film slouží ke snížení tření povrchů ozubených kol a chrání povrch zatěžovanýchfunkčních ploch. Ve styku zubů může v některých případech dojít k jejich poškození. Mechanizmuspoškození může být čistě mechanického rázu, jako například mechanické vydrolování nebo opotřebeníotěrem anebo může být způsoben mazací kapalinou. Kapalina může na povrch zubu působit buď rázy,nebo prostřednictvím kavitační eroze. Kavitace vzniká v místech lokálního podtlaku, a proto je nutnopro posouzení možnosti poškození zubů v důsledku kavitace tato místa hledat. Na obr. 1 je poškozenýpovrch zubu ozubeného kola.Geometrický model a numerická simulaceTok oleje v zubové mezeře je realizovánpomocí numerické simulace založenéna metodě konečných objemů v softwareFLUENT. Využití numerických simulacíumožňuje získat informace z různýchprovozních režimů ozubeného soukolí,a to i v místech, která jsou pomocí experimentálníchmetod obtížně dosažitelná.Výpočetní doména včetně naznačeníokrajových podmínek je uvedena na obr.2. Pro výpočet nebyl, s ohledem na hodnotyRaynoldsova čísla, použit žádnýmodel turbulence. Pro výpočet vícefázovéhoproudění oleje a vzduchu bylpoužit model Volume of Fluid (VOF).Množství oleje na povrchu ozubenýchkol je jednou z počátečních podmíneknumerické simulace. Pro výpočet bylazvolena vrstva oleje na povrchu zubu silná1mm. V důsledku pohybu segmentuozubeného kola bylo nutno v jeho jednotlivýchpozicích provádět přestavbuvýpočetní sítě (remeshing). Na obr. 3je naznačen způsob tvorby objemovévýpočetní sítě.obr. 1 Poškození povrchu zubu.obr. 2 Modelovaná oblast ozubeného soukolí.obr. 3 Řez objemovou sítí.Numerická simulace kavitace v ozubených kolech41

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemobr. 4 Proudnice obarvené dle velikosti rychlosti.VýsledkyTlakové a rychlostní pole bylo monitorováno na povrchuozubeného kola pomocí uživatelsky definované funkce. Vyhodnocenítlakového pole ozubeného kola je zaměřenona oblast s nízkými tlaky. Pokud předpokládáme hodnotutlaku nasycených par u použitého oleje okolo 1000 Pa, pakoblasti s tlakem blízko této hodnotě nebo pod touto hodnotoupředstavují možná místa vzniku kavitace. Proudnice na povrchuozubeného kola obarvené dle vektoru rychlosti jsouuvedeny na obr. 4 a tlakové pole na povrchu ozubeného kolapak na obr. 5. Nepříznivý tlakový gradient, který je situováni v místě poškození reálného ozubeného kola je na obr. 6.ZávěrNejvyšší četnosti tlaků na povrchu ozubených kol s nízkýmihodnotami tlaku byly pozorovány i v oblastech, kde se vyskytujepoškození na reálném ozubení (obr. 7). V případě nestlačitelnékapaliny byly pozorovány vysoké hodnoty podtlaků.obr. 5 Tlakové pole na povrchu ozubených kol.Touto metodikou lze velmi úspěšně kontrolovat odolnostnavržené geometrie zubu z hlediska kavitační eroze, snížitpotřebu náročných experimentů, výrazně přispět ke sníženíhluku převodového ústrojí a ke zvýšení životnosti pastorkuozubeného soukolí. Realizace se uskutečnila při návrhu inovacípřevodovek pro kolejová vozidla a větrné elektrárny.obr. 6 Poloha tlakového gradientu a zobrazení olejového filmu v zubové mezeře.obr. 7 Zobrazení oblasti s minimální hodnotou tlaku – experiment vs. simulace.42Numerická simulace kavitace v ozubených kolech

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czKolaps kavitační bublinky v blízkosti stěnyIng. Miloš Muller, Ph.D.,doc. Ing. Jiří Unger, CSc.ÚvodPod pojmem kavitace rozumíme všechny jevyspojené se vznikem, zánikem a aktivitami makroskopickýchdutin – bublin v kapalině. Termínkavitace je především spojován s nežádoucímiúčinky provázejícími kolaps kavitačních bublin.Jedním z nejvýznamnějších je kavitačníeroze. Nežádoucí účinky kavitace však zakrývajískutečnost, že pozitivní účinky kavitace jsouvyužívány v mnoha oblastech. Schopnost kavitacesoustředit energii na velice malé plošea vyprodukovat silný tlakový pulz je využívánav mnoha průmyslových procesech. Jedním z nichje například ultrazvukové čištění. Velice důležitouaplikací je využití kavitace při úpravě vody. Laseremindukovaná kavitace je operačním nástrojemv mnoha medicínských aplikacích. Základemporozumění kavitaci je porozumět chování jejíchzákladních elementů – kavitačních bublin, zejménapak jejich kolapsu. Určení silového účinkukavitačních bublin na stěnu je jedním zásadníchproblémů.Experiment a měřeníobr. 1 Základní schéma experimentu určeného pro výzkumkolapsu kavitační bublinky.Účinky vlivu kavitace na pevné stěny lze zkoumat pomocí akustickýcha optických metod. Je však třeba si uvědomit, že uvedené dějeprobíhají velkou rychlostí a požadavky na uvedenou techniku jsouznačné.Na obr. 1 je uvedeno základní schéma experimentu určenéhopro výzkum kolapsu kavitační bublinky v blízkosti pevné stěny.Bublinky mohou být generovány pomocí laseru, nebo pomocíelektrického výboje. Příklad kolapsu bublinky generované pomocílaseru na povrchu optického vlákna je na obr. 2.obr. 3 Kolaps bublinky generované pomocí laseru na povrchu optického vlákna.Kolaps kavitační bublinky v blízkosti stěny43

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemVýsledkyNa obr. 3 je záznam kolapsu kavitační bublinky v blízkostipevné stěny pomocí vysokorychlostní kamery. Odpovídajícízáznam hydrofonu umístěného za stěnou je pak na obr.4. a vyhodnocený časový vývoj poloměru bublinky do prvníhokolapsu na obr. 5.Z obrázků je patrné, že bublinka nejprve prudce narostea pak následuje její kolaps. Během kolapsu generuje bublinkaproud tekutiny směrem ke stěně. Tento proud je generován, jakběhem prvního, tak během druhého kolapsu.Sílu kolapsu je možné určit pomocí kalibrace hydrofonu známousilou, například pomocí kyvadla. Například impulz uvedenýna obrázku jedna odpovídá síle 988N.obr. 4 Záznam z hydrofonu umístěného za stěnou při kolapsu kavitační bublinky.obr. 3 Záznam kolapsu kavitační bublinky v blízkosti pevné stěny pomocívysokorychlostní kamery.obr. 5 Časový vývoj poloměru bublinky.ZávěrUvedené výsledky ukazují, že kombinace akustických a optickýchmetod může poskytnout velice podrobné informace o sílekolapsu bubliny. Znalost síly kolapsu bublinky v závislosti na jejívzdálenosti od stěny je důležitým parametrem při numerickýchsimulacích, které pak mohou sloužit k výpočtům kavitačníhoproudění a jeho interakce s povrchy těles.44Kolaps kavitační bublinky v blízkosti stěny

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czMagnetohydrodynamika a rekrystalizační procesyIng. Kateřina Horáková,doc. Ing. Jiří Unger, CSc.,doc. Ing. Karel Fraňa, Ph.D.Magnetohydrodynamika a její využití v praxiMagnetohydrodynamika (MHD) je nauka o chování vodivétekutiny (kapaliny nebo plazmy) v magnetickém poli. Magnetohydrodynamickéjevy v tekutých kovech jsou vyvolány vnějším,zpravidla časově či prostorově proměnným elektromagnetickýmpolem. Elektrický proud, indukovaný rotačním magnetickýmpolem (RMF) pro vodivou tekutinu, je dán druhou Maxwellovourovnicí a Ohmovým zákonem pro pohybující se médium.Proudění elektricky vodivé tekutiny je tématem mnoha numerickýchteoretických i experimentálních studií. První zmínkyo MHD se objevovaly v souvislosti s astrofyzikou a geofyzikou.V padesátých letech minulého století se zájem o MHD zaměřilhlavně na fyziku plazmatu a řízení termonukleární fúze. Pozdějise zájem o MHD rozšířil i do průmyslových odvětví, kde se RMFpoužívá např. při kontinuálním lití oceli a hliníku a dále při výroběpolovodičů.Možnosti využití magnetického pole i posouzení vhodnostirůzných druhů magnetického pole jsou aktuálně zkoumány,přičemž rotační pole se ukázalo jako dobře využitelné. Dále jev odborných kruzích zkoumán vliv syntézy různých magnetickýchpolí. V poslední době se testuje použití RMF pro gallium nebo rtuťa dále pro různé tavicí techniky jako Float Zone, Czochralski, Bringmannebo Travelling Heater Method.Experimentální výzkum vlivu RMF je energeticky velmi náročný.Y. M. Gelfgat a A. Y. Galfgat v práci Experimental and numericalstudy ofrotatingmagneticfielddrivenflow in thecylindricalenclosurespopisují měření azimutálních rychlostí ve válcové nádoběa výsledky porovnávají s numerickou simulací. Taveninou v experimentubyla zvolena slitina InGaSn, protože je tekutá za pokojovýchteplot. Pro studium reálných dějů ovlivňujících rekrystalizační procesyje však vhodné simulovat turbulentní struktury v komplexníchgeometriích.Popis úlohy a výsledný analytický vztahCílem práce je popis proudění elektricky vodivé taveniny uvnitřrotačně nesymetrické nádoby. Proudění je též vyvoláno rotačnímmagnetickým polem, resp. Lorentzovou silou, která uvádí taveninudo rotačního pohybu. Na obr. 1 je zobrazen okamžitý stavrychlostního pole. Proudění v azimutálním směru hraje dominantníroli pro homogenizační proces.Zobrazeny jsou řezy nádobou – kvádrem. Maxima rychlostí jsouzobrazena červeně, minima modře.Lorentzova síla se skládá z časově nezávislé (průměrované)složky a z oscilační komponenty, která rotuje s dvojnásobnoufrekvencí. Ovšem tekutina, z důvodu její dostatečně vysokésetrvačnosti, není schopna dosáhnout tak velké změny složky síly.Z tohoto důvodu se oscilační složka síly zanedbává a sleduje sepouze časově nezávislá složka.Soustavou několika odvození (přes řešení skalárního potenciálupomocí Besselovy rovnice) se dojde na výsledný analytický vztahpro časově průměrovanou Lorentzovu sílu v azimutálním směru.Z výpočtového kódu NS – FEM3D byly získány databáze hodnotLorentzových sil pro různá Taylorova čísla. Protože síť krychlovénádoby je nestrukturovaná, bylo pro zobrazení hodnot Lorentzovýchsil ve zvolené zobrazovací rovině využito váhové funkcečtyř nejbližších bodů skutečné sítě.Aby bylo možné porovnat kontury Lorentzových sil z této databázes konturami Lorentzových sil dle analytického vzorce,byly hodnoty normalizovány k jedničce, tj. k maximální hodnotěsouboru (viz. obr. 2).Vyšší hodnoty Lorentzových sil u krychle jsou způsobenyhranatým tvarem samotné nádoby. Pohybující se tavenina(dominantně v azimutálním směru) zrychluje a zpomaluje, následkemtoho se vytvářejí relativně významné turbulentní koherentnístruktury.Minimální rozdíly se nacházejí zhruba v polovině výšky nádoby,kde je tavenina minimálně ovlivněna hranami a frikčními jevy nahorní a dolní podstavě. Na obr. 3 je procentuální zobrazení rozdíluLorentzových sil u krychle a válce.obr. 1 Okamžité azimutální rychlosti u φ.obr. 2 Zobrazení normalizovaných konturazimutálních Lorentzových sil v krychli.obr. 3 Procentuální rozdíl normalizovanýchLorentzových sil v krychli a válci.ZávěrZávěrem je nutno konstatovat, že využívání rotačního magnetickéhopole pro optimalizaci rekrystalizačních procesův tavenině je formováno nejen magnetickou indukcí, ale významnětéž faktorem tvaru nádoby. Zakomponováním analytického vztahudo výpočetního kódu NS-FEM3D velice urychlí výpočetní čas optimalizacehomogenizačních turbulentních struktur.Magnetohydrodynamika a rekrystalizační procesy45

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemOptimalizace a řízení směšovacích procesůdoc. Ing. Václav Dvořák, Ph.D.Tématem této práce jsou směšovací a proudovéprocesy probíhající v ejektorech. Ejektory jsoutrysková čerpadla nebo kompresory poháněnéproudem plynu, páry nebo kapaliny. Používajíse v průmyslu jako zdroje podtlaku, k čerpáníkapalin z velkých hloubek, k dopravě kyselinv chemickém průmyslu, v textilním průmyslujako tkací trysky nebo i v letectví pro zvýšenítahu motorů. Ejektor je po konstrukční stráncevelice jednoduché zařízení (obr. 1), bez pohyblivýchčástí, levné a provozně spolehlivé. O tosložitější jsou směšovací procesy, které v němprobíhají. Nedostatečné porozumění principučinnosti a absence uceleného pohledu na celézařízení tak vedou k nedokonalým konstrukcíms nízkou účinností.Nízká účinnost ejektoru je dána principem jeho činnosti. Hnací,vysokotlaká tekutina expanduje v hnací trysce do vysokýchrychlostí, na okraji proudu dochází ve směšovací komoře kestrhávání okolní, hnané tekutiny. Směšovací procesy, při kterýchse následně předává část pohybové energie hnací tekutinytekutině hnané, jsou samy o sobě zdrojem energetických ztrát,směšování proudů přitom probíhá při vysokých rychlostech a toje spojeno s dalšími ztrátami třením a vlivem aerodynamické nedokonalosti.Je snadné smíchat dva proudy tekutiny v ejektoru,obtížnější je ale provést to tak, aby bylo dosaženo co nejvyšší energetickouúčinnosti. Směšování dvou proudů v ejektoru je charakterizovánovysokou intenzitou turbulence, kterou při současnýchvýpočtových možnostech popisujeme velice zjednodušeněa nepřesně. Na rozdíl od většiny ostatních zařízení na dopravutekutin, ve kterých jsou turbulentní smykové oblasti nežádoucí,hrají turbulentní procesy v ejektoru dominantní roli. Protože jsouejektory relativně malá zařízení, je měření rychlostí uvnitř úzkýchkanálů komplikované, neboť sondy nezanedbatelně rozrušujíproudové pole a laserové metody měření rychlosti se potýkajís odlesky paprsků od zakřivených stěn.obr. 1 Princip a konstrukční uspořádání ejektoru.obr. 2 Experimentální zařízení.46

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czCílem výzkumu je porozumět více dějům při směšování dvouproudů v ejektoru a díky tomu celé zařízení vylepšit a optimalizovat.Na vybudované experimentální trati (obr. 2) je možnérealizovat výzkum směšovacích procesů, provádět porovnávacíměření a ověřovat výpočtové metody. Analyzuje se prouděníve válcové směšovací komoře a potvrzují se předpoklady,že směšování je možné rozdělit na počáteční a hlavní oblast.V počáteční oblasti směšování nezasahuje směšovací vrstvak mezní vrstvě na stěně směšovací komory, směšování je málointenzivní, prakticky se nemění tlak a je možné uvažovat o volnémhnacím proudu. V hlavní oblasti směšování se směšovacívrstva rozprostírá přes celý průřez směšovací komory a běhemintenzivního směšování roste rychle statický tlak. Přechod mezipočáteční a hlavní oblastí směšování je přitom velice rychlý,typicky nastává na délce odpovídající jedné desetině průměrusměšovací komory. Veškeré děje, které v ejektoru probíhají,expanze obou proudů, směšování a následná komprese, senavzájem ovlivňují, a tak malá změna jednoho konstrukčníhonebo provozního parametru změní proudění v celém zařízení.Potýkáme se tak s problémem, jak ejektory hodnotit a optimalizovat,neboť převážná většina změn, které provedeme,způsobí zhoršení energetické účinnosti. Podařilo se vytvořitmetodu pro simultánní optimalizaci všech částí ejektoru, kdyse tvarování jednotlivých částí ejektoru navzájem ovlivňujea díky tomu je dosaženo prakticky ideálního řešení. Ukazuje se,že vysoká účinnost je dána nejen aerodynamickým tvarovánímvšech částí ejektoru, ale i nalezením optimální velikosti vstupníhoprůřezu hnaného proudu a především rychlým růstemstatického tlaku během směšování v rozšiřující se směšovacíkomoře. To je v přímém rozporu se zažitými konstrukčními pravidlydoporučujícími směšovací komoru válcovou, tzv. rovnoplochou,nebo dokonce zužující se rovnotlakou. Optimalizacíje dosaženo vyššího poměru rychlostí obou proudů a tím jsousníženy ztráty vlastním směšováním. Optimalizované ejektorymají znatelně vyšší účinnosti, až o čtvrtinu oproti konvenčnímuprovedení ejektoru. Každé procento účinnosti navíc otevírádalší aplikační možnosti ejektorů.Jeden ze směrů výzkumu směšování se zaměřil na vliv tvaruhnací trysky (obr. 3), kterou do směšovací komory vstupujehnací proud tekutiny. Je známo, že volný proud z trysky, jejíž odtokováhrana je zvlněna nebo jinak pozměněna, se rychleji šířído okolní tekutiny, není ale stejně detailně zmapováno chovánípodobného proudu v omezeném prostoru ejektoru a již vůbecse neřeší vliv na energetickou účinnost následného směšování.I v tomto případě platí, že většina konstrukčních změn, kteráse na obyčejné kruhové hnací trysce realizuje, vede ke sníženíenergetické účinnosti ejektoru, neboť kruhová tryska samao sobě přestavuje lokální optimum. Při změně trysky se měnípoměr průřezů obou trysek a tím i rychlostní a tlakové poměryv celém zařízení, jsou ovlivněny směšovací procesy a jinakpracuje i difuzor. Je tak obtížné porovnat mezi sebou vlivy dvouhnacích trysek na směšování. Znovu se tak ukazuje, že použitáhnací tryska musí být optimalizována, aby bylo dosaženoalespoň malého vylepšení. Teprve porovnáním a analýzou víceoptimalizovaných řešení bylo zjištěno, že použitím nekruhovéhnací trysky je možné dosáhnout rychlejšího a rovnoměrnějšíhoprůběhu směšování. Počáteční oblast s navýšenou intenzitousměšování přechází plynule do hlavní oblasti se sníženouintenzitou směšování. Je tak disipováno menší množstvíenergie a je docíleno vyšší energetické účinnosti. Jako veliceperspektivní se jeví lalokovité trysky, jejichž odtoková hranaje zvlněna a trysky vícenásobné, kdy hnací proud vstupuje dosměšovací komory z několika menších trysek. Aerodynamickáoptimalizace nám tak přes všechna omezení numerickýchvýpočtů umožňuje získat představu, jaké procesy jsou důležitépro vyšší energetickou účinnost.Cílem nedávného výzkumu bylo stanovit vliv generátorůsyntetizovaných proudů a generátorů tlakových pulzůumístěných v ejektoru na směšování. Cílem je dosáhnoutrychlejšího směšování, které by následně mělo umožnit kratšístavební délku směšovací komory. Pokud by se toho dosáhlo,mohou se snížit rovněž energetické ztráty třením na stěněsměšovací komory. V případě, že úspora třecích ztrát bude větší,než nárůst disipace energie od syntetizovaného paprsku, zvýšíse i účinnost. Získané teoretické výsledky mají bezprostředníaplikační výstup, a přestože se podařilo dosáhnout velkéhonavýšení účinnosti, získané poznatky o tryskách složitějšíchtvarů nabízejí další možnosti vylepšení. Metody optimalizace,jako např. diferenciální evoluce umožňující nalezení globálníhooptima ve spojení s 3D simulací, pak slibují další růst účinnosti.obr. 3 Hnací trysky.Optimalizace a řízení směšovacích procesů47

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemVýzkumný záměr: „Optimalizace vlastnostístrojů v interakci s pracovními procesya člověkem“ – výsledky činnostiVýzkumný záměr obsahuje ve svém zaměřeníkomplexní a široce pojatý aplikovaný výzkumorientovaný na optimalizace vlastností strojů,pracovních procesů a jejich interakce s člověkem,jednotlivé položky výsledků jsou ve svém výčtunaplněním uvedeného zaměření.Souhrn výsledků výzkumného záměru v letech 2005 - 2010Přehled výsledků výzkumného záměru v letech 2005 - 201048Výzkumný záměr: výsledky činnosti

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czHydrodynamická laboratoř – špičkové pracoviště Fakulty strojní Technické univerzity v Libercivybudované s institucionální podporou výzkumného záměru.49

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemMonografieDynamická manipulace s plochým sklem (2008)Práce předkládá autorem zpracovanou metodiku využitípočítačového modelování v oblasti dynamické manipulaces tenkými deskami skla. Byl proveden rozbor podmínek pro stabilnídržení objektu podtlakovou úchopnou hlavicí z hlediska silovéhozatížení a definice optimálního koeficientu bezpečnosti.Proběhla experimentální studie frekvenčních vlastnostía charakteru kmitání symetricky, podtlakově uchopené deskyv závislosti na reálném nastavení manipulačního cyklu vevztahu k rozměrům desky, materiálovým vlastnostem a polozeúchopných prvků při manipulaci se sklem. Byl zformulována ověřen optimalizační postup návrhu rozmístění přísavek vevztahu k uchopené desce tak, aby bylo dosaženo rovnoměrnéhozatížení tabule a minimalizována pravděpodobnost kolizís perifériemi v odkládacích pozicích. Kniha je určena všemodborným pracovníkům, technikům, ale i studentům strojníchfakult zabývajícím se problematikou automatické manipulacea optimalizací návrhu podtlakových úchopných hlavic vevztahu k minimalizaci namáhání desky a koncového členu robotuběhem automatické manipulace.165 stran.ISBN 978-80-7372-425-2Hodnocení průmyslových dat pomocí fraktálnígeometrie (2008)Monografie je uceleným souhrnem poznatků dlouhodobéhovýzkumu aplikace nekonvenčních metod pro popis běžnýchdat z průmyslové praxe a z aplikovaného výzkumu. Těžíz poznatků z relativně nedávného období a vědeckých pracízaměřených většinou pouze na základní výzkum. Publikacepopisuje v obecné části samotnou fraktální geometrii v širšímkontextu, následuje popis současného stavu problematikya užitých matematických nástrojů a těžištěm práce je v podrobnémhodnocení třech typů dat, které se v průmyslové praxi nejvícevyskytují: časové řady, 2D snímky a rozhraní. Využitelnostmetodiky je prezentována na reálných datech z průmyslovépraxe z oblasti sklářského průmyslu, přičemž byl kladen důrazna možnosti užití získaných znalostí, metodiky a principů propopis dat z průmyslové výroby a výrobků obecně. Navrženémetodiky zpracování dat mají proto obecnou platnost a lze jepoužít pro data z mnoha oborů průmyslu.180 stran.ISBN 978-80-7372-431-350

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czMonografie se zabývá studiem kavitačních bublinek sezaměřením na laserem indukovanou kavitaci v regulárnía neregulární (retrográdní) tekutině. Je zde popsán teoretickýa experimentální výzkum dynamiky kavitační bublinkyv různých tekutinách. Publikace popisuje metodu vizualizacekavitačních bublinek a rázových vln pomocí násobné expozice.Data získaná z experimentů jsou využita pro verifikacifyzikálních modelů laserem indukované bublinky. Diferenciálnírovnice popisující dynamiku kavitační bublinky zahrnují viskositu,povrchové napětí a stlačitelnost tekutiny a obsahují okrajovépodmínky umožňující zohlednění absorpce laserovéhozáření tekutinou při vzniku bublinky. Je zde odvozena rovnicepro disipaci energie rázové vlny pomocí semi-empirickéhomodelu, který je založen na podobnosti mezi tlakovými profilyrázové vlny v různých pozicích. Práce obsahuje popis numerickýchsimulací kolapsu kavitační bublinky v blízkosti pevné stěnypomocí CFD software – FLUENT.108 stran.ISBN 978-80-7372-241-8Dynamické chování kavitačních bublingenerovaných laserem (2008)Užití numerické simulace pro obtížně svařitelné materiályna bázi aluminidů železa (2010)Současným trendem jsou zvyšující se nároky na kvalitu a užitnévlastnosti výrobků a na ekonomičnost výroby. Toho lze dosáhnoutaplikačním využitím inovačních technologií nebo novýchtypů materiálů. Do této skupiny, lze řadit také intermetalické materiály,které se v posledních letech dostávají do popředí zájmuve světě. Mezi nejčastější intermetalika patří aluminidy železa,niklu a titanu. Některé z nich jsou průmyslově využívány a dalšíjsou součástí základního nebo aplikovaného výzkumu. Tyto slitinymají poměrně nízkou cenu díky malému obsahu prvků, jako jsouCr a Ni a mají též nižší měrnou hmotnost než vysokolegované oceli.Aluminidy železa mají dobrou odolnost proti opotřebení (obraze,kavitace) a výbornou odolnost proti síře a jejím sloučeninám.Uvedené výhody jsou nicméně vyváženy obtížnou zpracovatelnostítěchto materiálů – zejména svařitelností. Při aplikačnímvýzkumu technologické zpracovatelnosti aluminiudů železa jsoustále více využívány numerické simulace svařování, které poskytujíkorektní informace o napěťových a deformačních polích přisvařování a vlivu technologických parametrů na tato pole. Díkytomuto přístupu je možno postupy svařování optimalizovat.98 stran.ISBN 978-80-7372-682-9Monografie51

Optimalizace vlastností strojů v interakci s pracovními procesy a člověkemZávěrečné slovodoc. Ing. František Novotný, CSc.Výzkumný záměr „Optimalizace vlastnostístrojů v interakci s pracovními procesy a člověkem“předkládá nové poznatky z teoretickéhovýzkumu, ale zejména je orientován do oblastiaplikovaného výzkumu. Významné výsledky bylyzískány počítačovou simulací v účelné kombinacis fyzikálním modelováním zaměřeným na verifikacivýsledků virtuálních modelů. Přínos řešeníje charakterizován propracovaným metodickýmzákladem speciálních optimalizačních metods rozsáhlou experimentální verifikací.Přínos řešení výzkumného záměru je charakterizován propracovanýmmetodickým základem speciálních optimalizačníchmetod s rozsáhlou experimentální verifikací. Řešitelské týmyjsou schopné multidisciplinární spolupráce s širokým zapojenímdoktorandů.Podařilo se také zvýšit interdisciplinární informovanost členůřešitelského týmu (www.fs.tul.cz/vz/) s možností efektivníhovyužití materiálního vybavení laboratoří k širší výzkumné spolupráci.Významným výsledkem je rovněž kvalifikační růst členůřešitelského týmu (11 profesorských řízení, 9 docentských habilitacía 46 úspěšně obhájených doktorských disertací).Významným přínosem řešení výzkumného záměru naFakultě strojní Technické univerzity v Liberci bylo zapojenístudentů doktorských studijních programů do řešitelskýchtýmů. Výsledky řešení se vyznačují potřebnou teoretickouúrovní, přispívají k rozvoji oboru a mají vysoký potenciál projejich následné využití v průmyslové praxi.Závěrem lze konstatovat, že v průběhu řešení výzkumnéhozáměru bylo v letech 2005 - 2011 dosaženo řady hodnotnýchvýsledků, které nesporně naleznou využití jednak při řešenínásledných výzkumných projektů na pracovišti řešitele projektu,jednak jsou sledovány se značným zájmem ze strany výrobníchfirem i dalších výzkumných institucí u nás i v zahraničí.Pohled do jednacího sálu při hodnocení výzkumného záměru v roce 2007.52Závěrečné slovo

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCIwww.tul.czVýzkumný záměr propojil výzkumné týmya přinesl nové kompetenceČlenové komise MŠMT při průběžném hodnocení výzkumného záměru na TU v Liberci4. 10. 2007 (zleva prof. Matoušek, předseda komise prof. Ondráček, Dr. Dobiáš a Ing. Kavan).Laboratorní ověřování robota lezce bylo úspěšné a napínavé.Diskuse odborníků různých generací nad výsledky výzkumného záměru byla vždykořením vědecké práce.Spolupráce členů řešitelských týmů byla v celém průběhu řešení velmi cennýmvýstupem výzkumného záměru.Vydala Technická univerzita v Liberci, Studentská 1402/2, Liberec | prosinec 2011.Autorský tým:doc. Ing. Martin Bílek, Ph.D., Ing. Josef Blažek, Ph.D., Ing. Jiří Blekta, Ph.D., Ing. Pavel Brabec, Ph.D., Ing. David Cirkl, Ph.D., doc. Ing. Václav Dvořák, Ph.D., doc. Ing. Vítězslav Fliegel,CSc., doc. Ing. Karel Fraňa, Ph.D., doc. Ing. Dalibor Frydrych, Ph. D., Ing. Marcel Horák, Ph.D., Ing. Kateřina Horáková, Ing. Vlastimil Hotař, Ph.D., doc. Ing. Bedřich Janeček, CSc.,doc. Ing. Jan Jersák, CSc., Ing. Stanislav Jirouš, Ing. Jan Kolaja, Ph.D., prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld, Ing. Aleš Lufinka, Ph.D., Ing. Jiří Machuta, Ph.D., doc. Ing. Miroslav Malý, CSc.,Ing. Rudolf Martonka, Ph.D., prof. Ing. Bohdana Marvalová, CSc., Ing. Radek Matějec, Ph.D., Ing. Ivo Matoušek, Ph.D., doc. Ing. Josef Mevald, CSc., Ing. Jaromír Moravec, Ph.D.,Ing. Miloš Müller, Ph.D., doc. Ing. Heinz Neumann, CSc., prof. Ing. Iva Nová, CSc., doc. Ing. František Novotný, CSc., doc. Ing. Iva Petríková, Ph.D., Ing. Michal Petrů, Ing. Jan Petřík,Ph.D., prof. Ing. Přemysl Pokorný, CSc., doc. Ing. Ludvík Prášil, CSc., prof. Ing. Celestyn Scholz, Ph.D., Ing. Michal Sivčák, Ph.D., Ing. Pavel Solfronk, Ph.D., prof. RNDr. Jan Šklíba, CSc.,prof. Ing. Petr Špatenka, CSc., doc. Ing. Jiří Unger, CSc., prof. Ing. Karel Vokurka, CSc., Ing. Radek Votrubec, Ph.D., Ing. Robert Voženílek, Ph.D., prof. Ing. Jan Žižka, CSc.Grafické zpracování: Jana Vašáková Havlíková | jazyková korektura: Mgr. Miroslav Wallek | tisk: Geoprint, Krajinská 1110, Liberec.Výzkumný záměr propojil výzkumné týmy a přinesl nové kompetence

Výzkumný záměr | MSM 46747885012005 - 2011Optimalizacevlastností strojů v interakcis pracovními procesy a člověkemTechnická univerzita v LiberciStudentská 2, 461 17 Liberec, www.tul.czkontaktní osoba: doc. Ing. František Novotný, CSc.tel.: +420 485 354 103, mob.: +420 604 969 548, frantisek.novotny@tul.cz, www.fs.tul.cz/vz