Energetické řetězy – správné navrhování systému (1)

Energetické řetězy – správné navrhování systému (1)

Ing. Jaroslav Beneš, Hennlich Industrietechnik, spol. s r. o.

Použití energetických řetězů je dynamicky se rozvíjející způsob napájení pohyblivých přívodů strojů a zařízení. Pro svou jednoduchost, originalitu a snadnou montáž se tyto řetězy stávají mezi konstruktéry stále oblíbenějšími, a to i ve výrobních oblastech, kde by je ještě nedávno čekal jen málokdo. Příkladem může být jeřábová technika. Větší míra používání energetických řetězů s sebou přináší i široké spektrum otázek spojených s úskalími skrytými v jejich návrhu. Jejich správné zodpovězení je velmi důležité, protože životnost energetických řetězů, a tím i celého zařízení není vázána jen na kvalitu jejich výroby, ale především je přímo úměrná kvalitě jejich navržení a následné montáže. Seriál článků poskytne ucelené základní informace o vlastnostech a možnostech využití energetických řetězů a důležitých aspektech jejich návrhu. První část je zaměřena na řešení horizontálních samonosných aplikací, tzv. krátkých pojezdů.

1. Použití energetického řetězu a jeho optimální délka

Energetické řetězy jsou primárně určeny pro napájení pohyblivých přívodů prostřednictvím kabelů a hadic, které jsou v nich uloženy. Energetický řetěz spolu s vloženými kabely a hadicemi tvoří systém energetického řetězu. Tento systém vzájemně spojuje pohybující se části stroje, mezi kterými se předávají energie, data nebo média. Výhodou tohoto řešení je, že vložené kabely a hadice jsou při pohybu řetězu trvale ohýbány na konstantním poloměru, čímž se liší např. od kabelové vlečky. Energetické řetězy navíc svou náplň chrání před vnějšími vlivy a mechanickým poškozením.

Obr. 1. Výpočet potřebné délky řetězu (a) pro pojezd napájený v středu, b) pro pojezd mimo střed)
Obr. 2. Průhyb horní větve energetického řetězu
Obr. 4. Předpětí energetického řetězu

Aby řešení pohyblivého přívodu bylo nejen technicky, ale i ekonomicky optimální, je vhodné volit pevný (napájecí) bod přesně v polovině mezi krajními polohami mobilní části (obr. 1a). V takovém případě je totiž potřebná délka použitého energetického řetězu nejmenší, a celý systém je tudíž nejméně nákladný.

Potřebná délka se určí z tohoto vzorce:

L_K = (S/2) + K          (1.1)

kde L_K je potřebná délka řetězu, S délka pojezdu a K koeficient respektující nutnou rezervu na poloměr řetězu.

Není-li z konstrukčních důvodů možné umístit napájecí bod podle 1.1, a je nutné jej posunout (obr. 1b), změní se vztah 1.1 takto:

L_K = (S/2) + K + DM          (1.2)

kde DM je posunutí napájecího bodu od středu pojezdu.

Obr. 3. Závislost samonosné délky vybraného typu řetězu na hmotnosti náplně

2. Horizontální samonosné aplikace – krátké pojezdy

Ve velké většině případů jsou energetické řetězy použity pro napájení horizontálních pojezdů. Optimální v tomto případě je takové uspořádání, kdy horní větev řetězu je vedena rovnoběžně s podstavou pojezdu, resp. se spodní větví (obr. 2, varianta A). Je-li tento požadavek splněn, nazývá se tato aplikace energetického řetězu samonosná bez průhybu horní větve. Maximální délka pojezdu, resp. maximální samonosná délka řetězu je závislá na zvoleném typu řetězu (čím masivnější řetěz, tím větší samonosná délka) a na hmotnosti vložené náplně. Typický průběh závislosti samonosné délky jednoho typu řetězu na hmotnosti náplně je patrný z křivky označené FL_G na obr. 3.

Pro dosažení co možná největší samonosné délky je naprostá většina energetických řetězů vyráběna s předpětím. Horní větev prázdného řetězu v tomto případě není absolutně rovná, ale je mírně vyoblená směrem nahoru (obr. 4). Tento oblouk zvětšuje potřebný prostor pro uložení řetězu a při návrhu systému je s ním nutné počítat.

Obr. 5. Závislost životnosti samonosné aplikace bez průhybu na zrychlení

Samonosné aplikace s přímou horní větví dosahují nejdelší životnosti a lze je provozovat s nejvyšším možným zrychlením. Například u energetických řetězů IGUS je standardní hranice zrychlení 20 m·s^–2, ale během testování v laboratořích firmy byly řetězy provozovány při špičkovém zrychlení až 784 m·s^–2. Přesto však má zrychlení pojezdu vliv na životnost řetězu (obr. 5). Typickou samonosnou aplikaci bez průhybu horní větve v praxi je možné vidět na obr. 6.

Je-li z důvodu přílišné délky pojezdu nebo hmotnosti náplně překročena hranice stanovená pro aplikaci s přímou horní větví, začne se energetický řetěz vlivem své délky a náplně postupně prohýbat. Do určité hodnoty je tento průhyb přípustný a energetický řetěz s ním lze provozovat (obr. 2, varianta B). Jestliže tento průhyb překročí hodnotu 10 až 50 mm podle typu řetězu, nazývá se tato aplikace energetického řetězu samonosná s povoleným průhybem horní větve. Závislost maximální samonosné délky s povoleným průhybem na hmotnosti náplně má podobný průběh jako samonosná délka bez průhybu (graf FL_B na obr. 3). Z grafu je patrné, že je-li akceptován průhyb horní větve, lze řetěz provozovat s náplní o větší hmotnosti nebo na delší pojezdové dráze. Ve srovnání s předešlým uspořádáním je zde však závislost životnosti řetězu na zrychlení pojezdu zásadnější (obr. 7), jelikož průhyb horní větve podstatně redukuje dynamiku pojezdu. V důsledku velkého zrychlení nebo častého opakování cyklů totiž dochází k rozkývání řetězu směrem nahoru a dolů, což může vést k jeho rozpadnutí nebo prasknutí jeho bočnic. Samonosná aplikaci energetického řetězu s průhybem horního řetězu v praxi je na obr. 8.

Se zvětšujícím se prodloužením pojezdu nebo hmotnosti náplně řetězu je postupně překračována hranice přípustnosti pro aplikaci s povoleným průhybem. V takovém případě průhyb řetězu přesáhne kritickou hranici, tzv. kritický průhyb (viz obr. 2, varianta C); to vážně ohrozí stabilitu řetězu a může dojít i k jeho destrukci či rozpadu. Proto by řetěz s kritickým průhybem neměl být nikdy provozován trvale!

Reálné požadavky technické praxe však vyžadují provozování pojezdů, u nichž kombinace délky a hmotnosti náplně někdy dost podstatně překračuje přípustné hodnoty samonosných délek jednotlivých řetězů. Jak lze v uvedených případech tyto pojezdy řešit? Na tuto otázku existuje několik možných odpovědí:

Obr. 7. Závislost životnosti samonosné aplikace s povoleným průhybem na zrychlení

a) Volbou většího a stabilnějšího řetězu
Tato metoda je sice jednoduchá a rychlá, ale má své meze, protože samonosná délka i těch největších a nejstabilnějších řetězů je okolo 8 m. Delší řetěz navíc vyžaduje i větší náklady, které nejsou adekvátní velikosti jeho náplně, takže toto řešení není ani příliš ekonomické.

b) Podepřením samonosné části horní větve řetězu
Tato metoda je také celkem jednoduchá. Do samonosné části pojezdu (tedy tam, kde se horní větev řetězu nepohybuje nad svou spodní větví) se umístí jeden celistvý nebo několik menších nosných prvků (obr. 9), které zamezí prohýbání řetězu. I toto řešení je limitováno délkou pojezdové dráhy, protože podpěry mohou být umístěny pouze tam, kde nepřekáží průchodu odvalujícího se poloměru řetězu (v případě napájecího bodu ve středu dráhy tedy jen v jedné polovině pojezdu). Pro delší pojezdy by se však řetěz mohl kriticky prohýbat i v místech, kam podpěry z již uvedeného důvodu umístit nelze. Přídavné podpěrné prvky navíc omezují maximální zrychlení a rychlost pojezdu a způsobují zvýšenou hlučnost celého napájecího systému.

Obr. 9. Příklad podepření horní větve

c) Použití více řetězů na jedné dráze
Toto řešení je efektivní, ovšem poněkud nákladné a navíc ne každá aplikace pro ně má dostatek prostoru. Řetězy mohou být umístěny proti sobě, vedle sebe nebo jeden uvnitř druhého. Originální řešení poskytla firma IGUS, jejíž řetězy série E4 mohou být pomocí středových dílů nastavovány téměř do nekonečné šířky, přičemž každý středový díl zvětšuje samonosnou délku řetězu až o 25 %.

d) Provedení pojezdu jako tzv. kluzné aplikace
Kluzné aplikace vyžadují poněkud obsáhlejší výklad, a je jim proto věnována samostatná kapitola v příštím pokračování.

Pro jednodušší identifikaci aplikací se samonosnou horní větví řetězu se nezávisle na délce pojezdu vžil termín krátký pojezd.

(pokračování)