KONSTRUKCIJA GREDI PRI BOBNU RC ŽAGE · [2]. Sila, ki nas zanima, je potrebna sila prednapetja 𝐺0, ki je sila na gred pri mirovanju, saj sile med obratovanjem ne moremo določiti

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Blaž RATAJ

KONSTRUKCIJA GREDI PRI BOBNU RC ŽAGE

Diplomsko delo

Visokošolskega študijskega programa

Strojništvo

Maribor, avgust 2015

- - 2 - -


Diplomsko delo

Študent(ka): Blaž RATAJ

Študijski program: Visokošolski študijski program Strojništvo

Smer: Konstrukterstvo in gradnja strojev

Mentor: izr. prof. dr. Jožef PREDAN

Somentor: prof. dr. Nenad GUBELJAK

Maribor, avgust 2015

- - 3 - -

Vložen original sklepa o potrjeni temi

diplomskega dela

- - 4 - -

I Z J A V A

Podpisani Blaž RATAJ izjavljam, da:

je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom izr. prof.

dr. Jožefa PREDANA in somentorstvom prof. dr. Nenada GUBELJAKA;

predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor, 24. 2. 2015 Podpis: ___________________________

- - 5 - -

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Jožefu

PREDANU in somentorju prof. dr. Nenadu

GUBELJAKU za pomoč in vodenje pri opravljanju

diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi družini in

prijateljem za pomoč in podporo ter za podane nasvete

med pisanjem diplome.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij.

- - 6 - -


Ključne besede: gred, metoda končnih elementov, numerična analiza po MKE, analitični

preračun

UDK:

POVZETEK

V diplomskem delu je zajet analitični preračun gredi ter računalniške analize gredi po metodi

končnih elementov. Gred je izvzeta iz lastnega projekta, kjer izdelujem avtomatsko žago, gred

pa je nosilec podajalnega bobna. Glavni cilj diplomske naloge je sprememba oziroma

izboljšanje oblike, ki bi pripomogla k večji nosilnosti, ter večji togosti same gredi, z ozirom na

samo izdelavo gredi. Sledi primerjava med izbrano začetno obliko in izboljšano obliko ter

predlogi o sami izdelavi.

- - 7 - -

KONSTRUCTION OF THE DRUM SHAFT IN RC SAWMILL

Key words: finite element analysis, computer aided design, shaft, saw

UDK:

ABSTRACT

The thesis is covered by the analytical calculation of the shaft and the computer analysis of

shaft, using finite element method (FEM). The shaft is exempt from my own project, where I’m

going to make automatic saw and the shaft is used in feed-drum for saw. The main objective

of this thesis is to change shape or improve shape, that would contribute to greater capacity

and higher stiffness of the shaft itself, with respect to easy manufacture shaft. Below is a

comparison between the selected initial shape and new design of shape, as well as proposals

on shaft production.

- - 8 - -

KAZALO VSEBINE

1 UVOD ......................................................................................................................... - 12 -

1.1 OPIS SPLOŠNEGA PODROČJA DIPLOMSKEGA DELA ................................................... - 12 -

1.2 OPREDELITEV DELA ................................................................................................ - 13 -

1.3 STRUKTURA DIPLOMSKEGA DELA ........................................................................... - 13 -

2 DOLOČEVANJE OBREMENITEV ....................................................................... - 13 -

2.1 NAJVEČJA NOSILNOST ............................................................................................. - 14 -

2.2 DOLOČEVANJE POTREBNE SILE ZA PREDNAPETJE JERMENA ..................................... - 17 -

2.3 MOMENTNA OBREMENITEV ..................................................................................... - 18 -

2.4 POVZETEK IN UGOTOVITVE DOLOČEVANJA OBREMENITEV ...................................... - 18 -

3 ANALIZIRANJE GREDI ......................................................................................... - 19 -

3.1 ANALITIČNI PRERAČUN ........................................................................................... - 19 -

3.1.1 Povzetek preračuna ....................................................................................... - 20 -

3.2 RAČUNALNIŠKA ANALIZA ....................................................................................... - 21 -

4 DOLOČEVANJE NOVE KONSTRUKCIJE GREDI ........................................... - 22 -

4.1 DOLOČEVANJE KRITIČNIH TOČK .............................................................................. - 23 -

4.2 DOLOČEVANJE NOVE OBLIKE .................................................................................. - 23 -

4.2.1 Obsotječa oblika 1 ......................................................................................... - 23 -

4.2.2 Oblika gredi 2 ................................................................................................ - 24 -

4.2.3 Oblika gredi 3 ................................................................................................ - 26 -

4.2.4 Oblika gredi 4 ................................................................................................ - 28 -

5 PRIMERJAVA REZULTATOV ............................................................................. - 29 -

6 MATERIAL GREDI ................................................................................................. - 31 -

6.1 IZBIRA MATERIALA ................................................................................................. - 31 -

7 SKLEP ........................................................................................................................ - 32 -

LITERATURA .................................................................................................................. - 33 -

- - 9 - -

KAZALO SLIK

Slika 1: Obstoječa gred podajalnega bobna ......................................................................... - 12 -

Slika 2: Oblika odprtin na bobnu ......................................................................................... - 14 -

Slika 3: Skica obremenitve, zaradi bobna ........................................................................... - 16 -

Slika 4: Napetosti v osi v programu Abaqus ....................................................................... - 21 -

Slika 5: pozicija varov na gredi ........................................................................................... - 22 -

Slika 6: Skica oblike 1 ......................................................................................................... - 23 -

Slika 7: Analiza gredi oblike 1 ............................................................................................ - 24 -

Slika 8: Skica oblike 2 ......................................................................................................... - 25 -

Slika 9: Anaiza gredi oblike 2 ............................................................................................. - 25 -

Slika 10: Porazdelitev napetosti v prerezu ......................................................................... - 25 -

Slika 11: Skica oblike 3 ....................................................................................................... - 26 -

Slika 12: Analiza gredi oblike 3 .......................................................................................... - 27 -

Slika 13: Porazdelitev napetosti .......................................................................................... - 27 -

Slika 14: Skica oblike 4 ....................................................................................................... - 28 -

Slika 15: Analiza gredi oblike 4 .......................................................................................... - 28 -

Slika 16: Porazdelitev napetosti .......................................................................................... - 28 -

Slika 17: končna oblika Slika 18: začetna oblika ........................................................ - 30 -

- - 10 - -

UPORABLJENI SIMBOLI

E - modul elastičnosti

F - sila

W - odpornostni moment

n - normalna napetost

- tangencialna napetost

I - vztrajnostni moment

𝑓 - poves

𝜇 - possionovo število

- - 11 - -

UPORABLJENE KRATICE

CAD - Computer Aided Design

FS - Fakulteta za strojništvo

ISO - International Organisation for Standardization

MKE - Metoda končnih elementov

- - 12 - -

1 UVOD

1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela

Diplomsko delo temelji na razvoju avtomatske žage, ki bi bila dostopnejša, enostavnejša ter

cenejša za uporabnika, kot je že ponujena na trgu. Sama žaga je sestavljena iz odrezovalne

krožne žage ter podajalnega bobna, ki sta gnana z jermeni. Jermene smo izbrali zaradi

možnega zdrsa, ki v primeru napake ali zloma žage zdrsne. Ker smo pri samem razvoju le-te,

morali dimenzionirati različne strojne dele, smo prišli do problema, kako podajalni boben

uležajiti, saj se le-ta lahko le enostransko vpne oziroma uležaji. Zaradi takšnega vpetja se

pojavijo velike obremenitve v gredi. V diplomskem delu bomo prikazali, kako izboljšati

obstoječo obliko gredi, da bodo te obremenitve čim bolj porazdeljene.

Pri sami določitvi oblike bomo poskusili uporabiti čim več standardnih profilov, ker so le-ti

lahko dobavljivi ter cenejši kot nestandardni elementi, saj nam je cilj narediti ne samo

močnejše, temveč tudi cenejšo različico gredi.

Slika 1: Obstoječa gred podajalnega bobna

- - 13 - -

1.2 Opredelitev dela

Imamo nalogo, da naredimo bolj nosilno gred za podajalni boben pri rezalnem stroju.

Funkcija bobna je, da podaja cepljena polena h krožnemu rezilu, ki to poleno tudi odreže.

Boben ima več odprtin, s katerimi omejimo premer polen ter na koncu s tem tudi samo težo

le-teh. Ker smo s prostorom za uležajenje omejeni in je lahko gred le enostransko uležajena,

predvidevamo, da bo le-ta gred bolj obremenjena v okolici fiksnega vpetja, v okolici

spremembe premerov gredi pa pojav zareznih napetosti. Ker želimo določiti najboljšo obliko

gredi, bomo preverili več primerov le-te ter določili najboljšo iz največjega pomika oz. povesa

gredi.

1.3 Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo bo sestavljeno iz določevanja obremenitev ter iskanja najboljših primerov

oblike gredi. Ker moramo pred določevanjem oblike gredi poznati obremenitve same gredi,

bomo morali najprej le-te določiti. Nadaljevali bomo z analitičnim preračunom, da dobimo

okvirne podatke za potrebno obliko gredi, nato pa jo bomo v numerični analizi po MKE

izboljšal in dodelal. Ključni cilj je čim manjši poves, predvsem pa čim manjše koncentracije

napetosti.

2 DOLOČEVANJE OBREMENITEV

Gred, ki ji bomo izboljšali obliko je nosilec za boben, ki je privarjen na gred. Ker bomo gred

konstruirali na največjo možno obremenitev, bomo določili najprej največjo možno težo, ki jo

lahko naložimo v boben.

Za določitev gredi bomo izhajali iz same velikosti odprtin za polena ter predvidevali, da

boben ne bo bolj obremenjen kot je teza bremena pri maksimalnem volumnu bobna in kot sta

bremenitvi, nastali zaradi natezne sile v jermenu ter maksimalna sila, ki jo se prenese

jermenski prenos. Za preračun največjega volumna bobna bomo sešteli vse odprtine v bobnu

ter pomnožili s celotno dolžino bobna, od podajalne plošče pa do začetka odprtine pri bobnu.

- - 14 - -

Pri odrezu potrebujemo tudi podajalno silo, katero mora dovesti boben, ki je privarjen na

gred, pri žaganju. Zaradi te podajalne sile dobimo silo na ročici, kar povzroča momentno

obremenitev. To momentno silo bomo omejili z jermenskim prenosom, ki bo pri

preobremenitvi zdrsnil in onemogočil nadaljnje preobremenjevanje. Poleg podajalne sile in

posledično momenta deluje na boben še natezna sila pri jermenskem prenosu, ki poganja

boben. S to natezno silo reguliramo sam zdrs bobna, s katerim bomo nadzorovali oziroma

varovali žago in boben pred preobremenitvijo.

Pri samih obremenitvah ne smemo pozabiti še na silo teže samega bobna, ki je pod kotom 45°.

2.1 Največja nosilnost

Največjo nosilnost bobna bomo pridobili iz samega volumna odprtin bobna ter gostote lesa.

Ker določamo največjo možno nosilnost, bomo izbrali največji možni volumen in najgostejši

les, ki ga nameravamo rezati. Gostoto bomo izbrali iz strojniškega priročnika [1].

Največji volumen pa bomo izračunali iz dimenzij odprtin na samem bobnu.

Slika 2: Oblika odprtin na bobnu

Dimenzije velike odprtine so 227 x 160 mm, dimenzije manjše odprtine pa so 117 x 137 mm.

Dolžina odprtin je enaka tako pri veliki kot pri manjši odprtini in znaša 790 mm, ker pa

- - 15 - -

imamo odmično dno, da lahko reguliramo dolžino reza moramo izbrati maksimalno dolžino

ter dodati 250 mm, zaradi odmika dna. Tako skupna največja dolžina znaša 1040 mm.

Za največjo gostoto izberemo gostoto hrasta, ki ima gostoto ≈ 800𝑘𝑔

𝑚3⁄ .

Iz prej omenjenih podatkov sledi:

volumen večje odprtine:

𝑉1 = 227 ∙ 160 ∙ 1040 = 37772800 𝑚𝑚3,

volumen manjše odprtine:

𝑉2 = 117 ∙ 137 ∙ 1040 = 16670160 𝑚𝑚3.

Ker so v bobnu štiri velike odprtine in štiri manjše odprtine, lahko izračunamo skupni

volumen, ki znaša:

𝑉𝑠𝑘 = 4 ∙ 𝑉1 + 4 ∙ 𝑉2 = 217771840 𝑚𝑚3 = 0,2178 𝑚3.

Z izbrano največjo gostoto lesa, ki ga bomo žagali, lahko izračunamo maso bremena in

posledično silo bremena, ki deluje na gred.

𝑚𝑏 = 𝑉𝑠𝑘 ∙ 𝜌𝑚𝑎𝑥 = 0,2178 ∙ 800 = 174,24 𝑘𝑔

𝐹𝑏 = 𝑚𝑏 ∙ 𝑔 = 174,24 ∙ 9,81 = 1709,29 𝑁

Upoštevati moramo tudi silo, ki nastane zaradi mase bobna. Le-to smo dobili iz CAD modela.

Ta znaša: 𝑚𝐵 = 80𝐾𝑔.

- - 16 - -

𝐹𝐵 = 𝑚𝐵 ∙ 𝑔 = 80 ∙ 9,81 = 784,8 𝑁

Obremenitev, zaradi sile skupne teže, tako znaša toliko, kot je seštevek sile mase bobna ter

sila največjega bremena:

𝐹𝑠𝑘 = 𝐹𝑜 + 𝐹𝐵 = 2494 𝑁

Slika 3: Skica obremenitve, zaradi bobna

Iz skupne obremenitve gredi lahko izračunamo obodno silo na bobnu, katero bomo

potrebovali v nadaljnjih preračunih. Ker je boben pod kotom 45°, moramo najprej izračunati

komponenti sile, ki gred obremeni na upogib.

𝐹𝑠𝑘𝑥 = 𝑠𝑖𝑛45 ∙ 𝐹𝑠𝑘 = 1763,5𝑁

𝐹𝑠𝑘𝑧 = 𝑐𝑜𝑠45 ∙ 𝐹𝑠𝑘 = 1763,5𝑁

Iz te sile moramo izračunati silo, ki deluje na obodu bobna in jo moramo z jermenskim

prenosom premagovati oziroma prenašati. To izračunamo iz enačenja momentov na sredini

polmera ter na koncu polmera bobna. Polmer bobna znaša 305 mm.

𝑀1 = 𝑀2

- - 17 - -

𝐹𝑡 ∙ 𝑟 =𝐹𝑠𝑘𝑥

2∙

𝑟

2

𝐹𝑡 = 623 𝑁

Poleg obremenitve, zaradi teže bobna in samega lesa naloženega v bobnu, deluje na boben še

sila, potrebna za prednapetje jermena. Ta sila je zelo pomembna, saj z njo določamo dopustno

oz. potrebno silo, ki jo prenaša jermenski prenos.

2.2 Določevanje potrebne sile za prednapetje jermena

Za izračun potrebne sile za prednapetje bomo uporabljali enačbe iz univerzitetnega učbenika

[2]. Sila, ki nas zanima, je potrebna sila prednapetja 𝐹𝐺0, ki je sila na gred pri mirovanju, saj

sile med obratovanjem ne moremo določiti natančno.

Formula za izračun le-te se glasi:

𝐹𝐺0 = 2 ∙ 𝑍 ∙ 𝐹0 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛽𝑚

2= 539,7 𝑁.

Potrebna sila prednapetja 𝐹𝐺0 je odvisna od števila jermenov 𝑍, od objemnega kota manjše

jermenice 𝛽𝑚 = 120° ter od potrebne sile v jermenu pri mirovanju 𝐹0, ki jo dobimo po enačbi

iz učbenika [2], ter je izračunana v nadaljevanju:

F0 =Ft

2∙Z∙ (

2,5

Cβ− 1) + q ∙ ν2 = 311,6 N.

Potrebna sila, v veji jermena pri mirovanju F0, je odvisna od obodne sile Ft, ki smo jo

izračunali iz največjih obremenitev gredi, od števila jermenov Z , od koeficienta objemnega

kota Cβ, ki ga izračunamo po enačbi spodaj, ter od specifične mase na meter dolžine jermena,

ki jo izberemo iz tabele 3.15, v učbeniku [2] in znaša q = 0,104 kg/m in od hitrosti ν , ki jo

izračunamo po enačbi, podani v nadaljevanju.

Koeficient objemnega kota izračunamo iz objemnega kota na manjši jermenici 𝛽𝑚 in se glasi:

- - 18 - -

𝐶𝛽 = 1,25 ∙ (1 − 5−𝛽𝑚 𝜋⁄ ) = 1,25.

Hitrost jermena ν je odvisna od premera in vrtilne frekvence gonilne jermenice.

ν =π

60 ∙ 103∙ d1 ∙ n1 = 0,8 m

s⁄

2.3 Momentna obremenitev

Momentna obremenitev nastane zaradi vrtenja bobna in s tem dviganjem drv oz. bremena.

Ker smo že prej izračunali obodno silo bobna za preračun prednapetja jermena, bomo sedaj iz

te sile določili moment. Ker je polmer bobna 305 mm, ta znaša:

𝑀 = 𝐹𝑡 ∙ 𝑟 = 134,2 𝑁𝑚.

2.4 Povzetek in ugotovitve določevanja obremenitev

Pri določevanju smo ugotovili, da imamo gred obremenjeno z dvema glavnima

obremenitvima, prva je upogibna, ki je rezultanta sile teže in sile prednapetja jermena, druga

pa je momentna obremenitev, ki je posledica vrtenja bremena. Ker vemo, da večjega

momenta gred ne bo prenašala, saj smo izbrali najgostejši les ter smo dimenzionirali

jermenski prenos tako, da bo ob večjem momentu zdrsnil, je to največji moment, ki ga gred

more prenesti.

Tako dobimo sledeče obremenitve:

- momentna obremenitev na torzijo:

𝑀𝑦 = 134,2 𝑁𝑚,

- rezultanta sile v smeri x in je enaka rezultanti v smeri z, saj je gred pod kotom 45°:

𝐹𝑥 = 𝐹𝑧 = 𝑠𝑖𝑛45 ∙ 𝐹𝑠𝑘 = 1763,5𝑁,

- rezultanta sile v smeri y, ki je posledica natezne sile v jermenih:

- - 19 - -

𝐹𝑦 = 𝐹𝐺0 = 2 ∙ 𝑍 ∙ 𝐹0 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛽𝑚

2= 539,7 𝑁.

3 ANALIZIRANJE GREDI

Pri analiziranju gredi bomo najprej analitično izračunali napetosti v gredi, s katerim bomo

dobili okvirne rezultate. Iz teh rezultatov bomo ugotovili, kakšne rezultate lahko pričakujemo

v numerični analizi po metodi končnih elementov. Ko bomo dobili podatke analize gredi,

bomo poskušali ugotoviti, zaradi kakšnih pogojev so te obremenitve nastale. Iz teh ugotovitev

bomo poskušali izboljšati to obstoječo obliko ter narediti novo, boljšo, nosilnejšo gred.

Pričakujemo pojav koncentriranih napetosti, saj je pri obstoječi obliki velika sprememba

premera, na relativno mali dolžini.

Gred je izdelana iz treh delov, iz same gredi, distančnika in cevi. Uporabili bomo

debelostensko cev, s tem bomo povečali vztrajnostni moment in posledično zmanjšali poves.

3.1 Analitični preračun

Pri analitičnem preračunu bomo poenostavili gred in tako upoštevali kolobarjast prerez, saj se

kolobarjasta cev večjega premera manj povesi, od polne gredi manjšega premera.

Zunanji premer cevi je 𝐷 = 88,9 𝑚𝑚, notranji premer pa znaša 𝑑 = 78,9 𝑚𝑚, dolžina same

cevi od vpetja pa znaša 1065 mm.

Fgx

320 500 500

x

z

65

- - 20 - -

Preračun ideje za gred, z delnim kolobarjastim prerezom, po enačbah iz priročnika [1]:

𝑊 =𝜋

32∙

𝐷4 ∙ 𝑑4

88,9=

𝜋

32∙

88,94 ∙ 78,94

88,9= 26180,8 𝑚𝑚4

𝐼 =𝜋

64∙ (𝐷4 − 𝑑4) =

𝜋

64∙ (88,94 − 78,94) = 1163738,6 𝑚𝑚4

𝑓 =𝐹 ∙ 𝑙3

3 ∙ 𝐸 ∙ 𝐼=

2300 ∙ 10653

3 ∙ 210 000 ∙ 1163738,6= 3,78 𝑚𝑚

Napetosti:

upogib:

𝜎 =𝑀

𝑊=

1477000

26180,8= 93,85 𝑁

𝑚𝑚2⁄

upogib + strig:

𝜎 =𝐹 ∙ 𝑀

𝐷 ∙ 𝐼=

2300 ∙ 1477000

60 ∙ 636172= 88,99 𝑁

𝑚𝑚2⁄

3.1.1 Povzetek preračuna

Pri zgoraj določenih predpostavkah smo dobili maksimalno napetost 𝜎 = 88,99𝑁

𝑚𝑚2 ter

maksimalen pomik, ki znaša 𝑓 = 3,78 𝑚𝑚. Ker iz izračunov vidimo, da v podpori A deluje

podporna sila v nasprotni smeri, bomo os podprli z nasprotne smeri, s tem bomo obremenili

podporo na tlak ter tako zmanjšali možnosti za nastanek razpok v ohišju ležaja.

- - 21 - -

3.2 Računalniška analiza

Računalniška analiza je bila izvedena v programu Abaqus CAE 6.14-1. Zaradi lažjega in

hitrejšega analiziranja gredi, bomo model gredi rezali na dolžino 250 mm in tako zajeli

področje največjih napetosti.

Pri sami analizi uporabimo materialne podatke za jeklo, in sicer:

𝐸 = 210000 𝑁𝑚𝑚2⁄ ,

𝜇 = 0.3.

Slika 4: Napetosti v osi v programu Abaqus

V tej analizi smo ugotovili, da pride do koncentracije napetosti v območju prehoda iz polne

osi na cev. Največje napetosti so manjše od meje tečenja, ki za ta material znaša 235 Mpa. V

računalniški analizi smo dobili maksimalno napetost 71,9 Mpa in maksimalen pomik

f = 0,128mm.

Rezultati se malenkostno razlikujejo, saj smo pri analitičnem preračunu uporabili določene

predpostavke, da smo preračun lažje izvedli.

- - 22 - -

4 DOLOČEVANJE NOVE KONSTRUKCIJE GREDI

Pri postopku določevanja nove konstrukcije gredi moramo najprej ugotoviti kritične točke

gredi oziroma, kje so največje koncentracije napetosti, nato pa bomo le-te poskušali

zmanjšati.

Pri določevanju nove konstrukcije se ne bomo omejevali z že obstoječo obliko osi, razen pri

samemu vpetju gredi v ležaje, kjer mora premer gredi ostati enak. Oblika bi bila sestavljena iz

več delov ter varjena.

Za analizo bomo uporabili rezan model gredi, ki je manjši od gredi v realnosti, v njem pa

bomo zajeli glavno področje kritične deformacije. S tem bomo dobili manjši model, katerega

bomo lažje in hitreje analizirali, saj bo za samo mreženje potrebno manj elementov, najbolj

kritične predele pa bomo lahko bolj zamrežili.

Slika 5: Pozicija varov na gredi

VAR

- - 23 - -

4.1 Določevanje kritičnih točk

Kritična točka pri upogibnih napetostih je pri samem prehodu gredi iz polnega prereza v

kolobarjasti prerez, kjer se pojavlja zarezni učinek, zaradi koncentracije napetosti.

Koncentracije napetosti se ponavadi pojavijo v področju ostrega prehoda. Rešitev le-tega bi se

lahko izvedla z zaokrožitvami v področju prehoda, s parabolično obliko ali pa z bolj blagim

prehodom, npr. prehod z manjšim kotom.

V našem primeru se pojavi sama koncentracija v področju prehoda na večji premer, v tem

področju se nahaja tudi zvar, zato predvidevamo, da se bodo tudi zaradi zvara koncentracije

napetosti v tem področju povečale.

4.2 Določevanje nove oblike

4.2.1 Obstoječa oblika 1

Novo obliko bomo določili na podlagi kritičnih točk stare oblike gredi, ki je sestavljena iz

gredi, distančnika ter cevi, kateri so spojeni z nerazstavljivim spojem – varom. Oblika je

enostavna za izvedbo in pozicioniranje. Sestavljena je iz treh delov; dveh delov standardnih

dimenzij ter distančnika, ki je stružen. Sama sestavna skica je prikazana na sliki 6.

Slika 6: Skica oblike 1

- - 24 - -

Slika 7: Analiza gredi oblike 1

Napetosti znašajo 71.9 MPa

V numerični analizi smo ugotovili, da se nahajajo koncentracije napetosti v samem predelu,

kjer se premer gredi spreminja, zato moramo ta prehod nekoliko spremeniti. Vidimo tudi, da

se sama koncentracija napetosti nahaja neposredno v območju varjenega spoja. Čeprav so

napetosti dovolj majhne, da jih material prenese, se koncentraciji napetosti raje izogibamo.

4.2.2 Oblika gredi 2

Pri obliki gredi št. 2 bomo poskusili zmanjšati napetosti z uporabo parabolične oblike prehoda

na večji premer in ne konusne oblike prehoda. Predvidevamo, da bo le-ta oblika bolje

prenašala napetosti in bomo s tem zmanjšali koncentracijo napetosti. Prestavili bomo tudi

samo zvarno mesto, in sicer stran od koncentracije napetosti, saj le-ta ni ugodna v tem

področju. Sam var bo prestavljen iz koncentracije napetosti proti sredini gredi.

- - 25 - -



Slika 10: Porazdelitev napetosti v prerezu

- - 26 - -

Iz analize ugotovimo, da koncentrirane napetosti znašajo 53,9 MPa in so se zmanjšale za

približno 18 Mpa od prejšnje oblike. Vidimo tudi boljšo porazdelitev ostalih napetosti po

gredi, toda s samo velikostjo in porazdelitvijo napetosti nismo zadovoljni, ker vidimo v

prerezu veliko neizkoriščenega materiala. To bomo v naslednji obliki spremenili.


Sama ideja spremembe je ta, da bi naredili žleb v distančnik, le tega pa bi naredili s konusom.

S to spremembo ciljamo na obliko gredi, ki bi se naredila z manjšim volumnom, ter tako na

boljšo porabo materiala. Omilili bi tudi sam prehod na večji premer, in sicer s podaljšanjem

prehoda s konusom. Predvidevamo, da bi tako zmanjšali koncentracijo napetosti.


- - 27 - -


Slika 13: Porazdelitev napetosti

Iz zgornje slike je razvidno, da je koncentracija napetosti na enakem delu, a manjša. Vidimo

tudi, da so se napetosti bolje razporedile. Opaziti je mogoče koncentracijo napetosti v predelu

prehoda, ker lahko le-ta prehod bolje naredimo z radijem ali paraboličnim prehodom, ter nam

bistvene spremembe pri sami izdelavi ne povzroča večjih sprememb, zato lahko to obliko

malce izboljšamo.

- - 28 - -


To obliko smo povzeli iz prejšnje oblike, le da smo jo malo izboljšali z gladkejšim prehodom.

Ta prehod smo izboljšali z radijem R10, ki nam je bistveno zmanjšal koncentracijo napetosti.



Slika 16: Porazdelitev napetosti

- - 29 - -

5 PRIMERJAVA REZULTATOV

Iz Numerične analize nove oblike gredi se vidi, da so se zarezne napetosti oziroma

koncentracije napetosti zmanjšale, zaradi izboljšanega prehoda. Sama izdelava le-tega

distančnika bo težja, vendar bo nosilnost gredi bistveno večja, poves pa manjši. Bistvenega

pomena pa je to, da bodo koncentracije napetosti manjše. Tiste, ki pa bodo, pa bodo bolj

porazdeljene.

Pri samem izboljšanju nove oblike smo material odvzeli tam, kjer ni bil potreben, z ozirom na

najlažjo izdelavo distančnika. Pri tem pa se nosilnost ni bistveno spremenila, kar je razvidno

iz tabele.

V tabeli 1 smo prikazali razlike napetosti med obstoječo gredjo in novimi gredmi. Iz te tabele

je razvidno, da se je napetost, skozi razvoj nove gredi, zmanjšala, prav tako tudi poves, zato je

gred bolj optimalno izdelana. Zaradi te optimizacije, smo zmanjšali koncentracije napetosti za

46,3%.

Tabela 1

Napetost [Mpa] Poves [mm]

Obstoječa oblika gredi 71,9 0,093

Izboljšana oblika gredi 1 53,9 0,083



- - 30 - -

V spodnjih slikah lahko vidimo razliko v sami porazdelitvi napetosti v prerezu gredi ter

manjše koncentracije napetosti. Na sliki 17 lahko vidimo končno obliko gredi, pri kateri ni

koncentracije napetosti, temveč so le-te bolj porazdeljene po površini prehoda. Na sliki 16 pa

lahko vidimo koncentracijo napetosti v ozkem pasu oziroma v eni liniji na prehodu.

Slika 17: končna oblika Slika 18: začetna oblika

- - 31 - -

6 MATERIAL GREDI

Iz analitičnega preračuna smo ugotovili, da nam gred, s konstantnim premerom vzdolž

gredi, ne bo prinesla željenih rezultatov, zato smo obliko spremenili ter v področju

maksimalnega povesa uvedli kolobarjasti prerez. Ta ugotovitev nas pripelje do prve

pomembne lastnosti, ki jo moramo upoštevati pri izbiri materiala, to je lastnost oziroma

sposobnost varjenja.

Kljub tej lastnosti, nam ostane še veliko materialov, predvsem pa ciljamo na jeklo in

njegove zlitine. Po priporočilih izbiramo med navadnim jeklom in jeklom za cementacijo.

Slednji imajo dobro sposobnost za varjenje.

6.1 Izbira materiala

Ker je cev izdelana iz več delov, so lahko le-ti tudi drugačne kvalitete. Zgornji del gredi

bo narejen iz standardne debelostenske cevi, premera ~100 mm in debeline stene 5mm, le-ta

je izdelana iz navadnega konstrukcijskega jekla. Za spodnji del gredi, ki bo uležajen, ter

distančnik pa moramo material določiti. Poudariti moramo, da mora imeti material sposobnost

varjena oz. spajanja, saj bo gred sestavljena iz več komponent.

Ker se bo gred varila, moramo izbrati jeklo, ki je primerno za varjenje. Primerna jekla za to so

npr. jekla za cementacijo. Posebej interesantno nam je jeklo z oznako po SIST EN 10027-1

16MnCr5, ki ima napetost tečenja 𝑅𝑒 = 470 𝑀𝑃𝑎, saj ima visoko napetost tečenja, cenevono

pa ni velike razlike med konstrukcijskim jeklom 235, z napetostjo tečenja 235 𝑀𝑃𝑎.

- - 32 - -

7 SKLEP

V diplomskem delu smo izboljšali samo obliko gredi, ki se uporablja kot nosilec bobna pri

žagi. Naredili smo več analiz ter na podlagi pridobljenih podatkov iz le-teh, naredili novo

obliko gredi, ki bo bolj nosilna kot osnovna gred, ter posledično tudi bolj toga, saj je sam

poves manjši.

Po analiziranju obstoječe gredi in nove oblike gredi smo ugotovili, da nam bo lahko nova

oblika gredi nosila večje obremenitve kot stara oblika gredi, z glavno razliko v koncentraciji

napetosti v gredi, ki bodo pri novi obliki manjše za približno 46% .

Ključni spremembi na gredi sta dve: sprememba lokacije zvarnega mesta ter sprememba

oblike prehoda na distančniku. Ugotovili smo, da parabolična oblika bolje porazdeli napetosti

skozi prehod kot radij ali konusni prehod.

- - 33 - -

LITERATURA

[1] Kraut Bojan. Krautov strojniški priročnik, 13. Slovenska izdaja, predelana 2. Natis /

izdajo pripravila Jože Puhar, Jože Stropnik. Ljubljana : Littera picta, 2002.

[2] Zoran Ren, Srečko Glodež. STROJNI ELEMENTI, uvod v gonila, torna, jermenska,

verižna gonila: univerzitetni učbenik, 4., dopolnjen in popravljen natis - Maribor : Fakulteta

za strojništvo, 2011

KONSTRUKCIJA GREDI PRI BOBNU RC ŽAGE · [2]. Sila, ki nas zanima, je potrebna sila prednapetja 𝐺0, ki je sila na gred pri mirovanju, saj sile med obratovanjem ne moremo določiti

Documents