Přímé mechanické pohony

[Josef]

Přímé mechanické pohony - 1.část

V dnešní době je běžnou praxí, že prakticky všechny výrobní stroje i ruční nářadí je poháněné pomocí elektromotorů. Dokonce jeden stroj může obsahovat mnoho dílčích elektromotorů pro pohon různých částí. Z toho podvědomě odvozujeme, že pokud potřebujeme provozovat nějaký stroj mimo dosah elektrické sítě, například při blackoutu, považujeme za nezbytné nejprve elektřinu nějakým způsobem vyrobit a teprve pak pomocí ní stroje pohánět tak, jak jsme byli doposud zvyklí. Jenže výše zmíněný způsob (převádět vše na elektřinu a pak zpět) se v plném rozsahu používá sotva několik desetiletí a v mnoha případech bychom se úspěšně „drbali přes hlavu“. V následujících příspěvcích bych rád poukázal na to, že k cíli jde dospět i jinak – způsoby ověřenými více než dvěstěletým vývojem strojírenství a často i levnějšími.

Kdykoli začnete uvažovat o způsobu pohonu, sedněte si nejprve na židli a chvíli uvažujte, co je cílem, kterého chcete dosáhnout.

- Chcete řezat nebo obrábět dřevo?
- Potřebujete umlít mouku?
- Potřebujete čerpat vodu?
- A jak často a jak dlouho?
- Musí být práce provedena v přesně načasovanou chvíli nebo na tom v zásadě nezáleží?

Pokud nejste výrobní pobočka nadnárodního monopolu, bude reálná doba provozu čítat od desítek minut po řádově hodiny, či dokonce půjde o činnost pouze občasnou, třeba jen jeden den v týdnu či měsíci. To jde hravě zvládnout i se soudobou technikou, pokud ji upravíte a přizpůsobíte na verzi 0.1 tak, jak by ji používali naši dědové.

Když vás netlačí čas, například při čerpání vody do vodojemu (které může proběhnout kdykoli během dne), obejdete se bez nutnosti energii akumulovat a můžete směle využít třeba energii větru či sluneční světlo*. Pokud potřebujete využít energii v předem stanovený čas - musíte zvolit takovou, kterou dokážete nějak uchovat a akumulovat (vodu v rybníku, palivo v nádrži aj.)

Na úvod bych měl začít zvířecím pohonem, protože to byla první větší energie, kromě vlastních svalů, kterou člověk dokázal využít pro mechanický pohon. Navíc v mnoha rozvojových zemích vyjde tato energie levněji než pohon naftový či benzínový. Poruchovost technologicky nenáročných převodů je menší a opravitelnost z místních zdrojů mnohem dostupnější. Jenže i kdyby někdo z vás zde ve Střední Evropě měl nějakého toho nadbytečného chladnokrevného valáška či volka, určitě pro něj bude mít užitečnější a duchaplnější práci, než jen několikahodinové chození v kruhu žentouru. Tak alespoň pár videoukázek, jak to dělají jinde**, jako důkaz že to funguje:

1. čerpání vody (1x vůl na 1 čerpací kolo)
2. pohon mlýnku (2x vůl na celou transmisi)
3. podélné řezání kmenů (8x kůň na 1 pás pily)
4. pohon malé mlátičky (1x kůň na 1 mlátičku)
5. ukázka výroby elektřiny (1x kůň na 1 dynamo)

Jak můžete na ukázkách sami vidět, účinnost pohonu není zdaleka tak špatná, jak by se na první dojem mohlo zdát. Převod zapřažených "koňských sil" na kilowatty zvládnete určitě sami...

------------------------------------------------
* Nemyslím tím solární panel a el. akumulátor, ale třeba solární sušičku ovoce a pod.
**)V tomto okamžiku prosím neřešme, zda je to z hmotné nouze nebo z morálního přesvědčení (Amišové), nebo jen jako zajímavá ukázka pro veřejnost.

[Josef]

Přímé mechanické pohony - 2.část

Další, v zemích českých podstatně dostupnější než dobytek, je možnost použít tzv. stabilní motor.
(Této tématice je věnováno samostatné vlákno.)

Sám jsem mnohokrát stabilní motory v praxi použil a úspěšně. I když při pohledu do kalendáře bude asi nejvýstižnější slůvko "dávno". Poprvé to bylo u kamaráda na srubu, když jsme řezali palivové dřevo na zimu. Malým tříkoňovým benzíňáčkem jsme tehdy dlouhým řemenem poháněli cirkulárku na sklopném rameni (obdobném na jakém bývá větší rozbrušovačka). Při řezání kulatiny o malém průměru (dřevo z prořezávky do 8cm) se to ukázalo mnohem efektivnější než použít motorovou pilu. Vycházela menší spotřeba, méně hluku, méně smradu, méně pilin a člověk neměl unavené ruce od těžké motorové pily. Všechna polínka byla také stejně dlouhá, protože pila měla stavitelný doraz a díky tomu se dobře stohovala. Podruhé nám stabilák vytrhl trn s paty, když jsme u kolegy z práce potřebovali betonovat základy pod chatku. Jednalo se o neelektrifikovanou zahrádkářskou kolonii. Všechen beton bychom museli míchat ručně (objednat si domíchávač, to v té době neexistovalo), ale takhle stačilo vypůjčit klasickou stavební míchačku, demontovat elektromotor, na hřídel od pastorku nasadit řemenici nalezenou v nedalekém rozbořeném mlýně (tehdy ještě nechodili nezvaní sběrači kovů) a míchačka poháněná od stabiláku improvizovaným řemenem ze staré koňské opratě posloužila nejen nám, ale i několika sousedům. Jednou z dalších velmi užitečných věcí byl pohon improvizované lanovky (pár kladek, pár lan a vřeteno ze staré cirkulárky). Lanovka pomocí několika plechových kýblů dopravovala vykopanou hlínu ze stavby do strmého kopce, kde se s ní vyrovnával svah. Kdybychom ji neměli, museli bychom tam těch několik tun odvláčet ručně.

Systém řemenového pohonu od jediného motoru jsem mnohokrát využil i na chalupě, kde nebyl zavedený třífázový proud. Tentokrát sice jako zdroj síly posloužil elektromotor, ale silnější asynchronní jednofázové elektromotory byly drahé a navíc těžko k sehnání. Já měl jen jeden a s ním jsem to všechno musel zvládnout. Pomocí textilního plochého řemenu jsem jednokoňovým elektromotorem střídavě poháněl malou cirkulárku, hoblovku, amatérsky vyrobenou frézu na dřevo, brusku se smirkovým plátnem, dřevosoustruh i sloupovou vrtačku. Většina částí těchto primitivních strojů byla téměř celá dřevěná - pospojovaná vruty a závitovými tyčemi, jen hřídele a ložiska byly z kovu (inspiroval jsem se stroji ve mlýně). Přesto to svou práci odvedlo a umožnilo mi vyrobit si na míru prakticky jakýkoliv dřevěný stavební prvek, který jsem potřeboval včetně lišt na obložení nebo rámů do oken. Univerzální tříbřitá frézovací hlava zvládla jakýkoli profil co jsem právě potřeboval (každý břit opracovával jinou část výsledného tvaru). V dobách kdy jsem včelařil mi tahle technika pomáhala přesně a rychle vyrábět rámečky na plástve i celé včelí úly a já nemusel vybavení kupovat. Překvapivé bylo zjištění, že na většinu pohonů lze vystačit jen s několika stovkami wattů, pokud jsou efektivně využité. Takže pokud se mě někdo zeptá, zda má tahle archaická technika v nějaké krizové, postkolapsové nebo ekonomicky zhroucené době vůbec nějaký význam, pak moje odpověď podepřená praxí zní - ano.

(Pokud jde o šťouraly z oboru bezpečnosti práce, mohu přiznat, že mi nekrytý plochý řemen už vtáhl nezapnutý rukáv a jednou dokonce i prsty. Tím se nechlubím, člověk by si měl dávat pozor a neriskovat, ale stalo se... Nicméně protože mám pečlivě a hladce provedené spoje, nikdy jsem od řemenu neutrpěl žádný úraz. Řemen jen propružil, sklouzl z řemenice a stroj se zastavil. Totéž se odehraje i při nečekaném přetížení, např. suk zaseknutý v pile. Kdybych použil moderní klínový řemen (nebo ploché řemenice s postranicemi), dopadlo by to mnohem hůř a já bych vám dnes neměl tento odstavec na klávesnici čím psát.)

[Josef]

Přímé mechanické pohony - 3.část

Nejčastějším způsobem, jak řešit přímý mechanický pohon a přenášet rotační pohyb na vzdálenosti jednotek až desítek metrů bylo buď dlouhým hřídelem nebo plochým řemenem, případně kombinací obojího. Na velké vzdálenosti v řádu desítek ba výjimečně i stovek metrů se místo řemene používal pohon pomocí lanovnic s klínovými drážkami ve kterých běželo konopné lano (při větších výkonech s vícenásobným opásáním).

Ne vždy bylo nutné přenášet přímo rotační pohyb. Například pro čerpání vody či ropy zcela vyhovovalo přenést na větší vzdálenost jen přímočarý vratný pohyb. To se obvykle řešilo pomocí dřevěných tyčí, lan nebo ještě lépe pomocí silných ocelových drátů, které byly po trase nadlehčovány kývajícími se podpěrami (tzv. mihadly) nebo se smýkaly po kluzných podpěrách či popojížděly na kolečkových vozících. Ač se to dnes může zdát přehnané, v minulosti nebyl problém přenášet tímto způsobem pohyb třeba na vzdálenost jednoho kilometru a to kupodivu s poměrně malými ztrátami. Přímé mechanické pohony na větší vzdálenosti bývaly většinou výsadou dolů či ropných polí a velkých průmyslových komplexů. Ale inspirovat se jimi můžeme...

Videoukázky - pohon ropných čerpadel táhlovým systémem:
1. Pohon táhel
2. Mihadlo
3. Zavěšení táhla

Při drobné inovaci nemusí být totiž táhlový systém až tak úplně mrtvá záležitost, jak by se mohlo na první pohled zdát. Je použitelný například u větrného čerpadla, pokud bude studna příliš vzdálená od stožáru s větrným kolem (a sací výška čerpadla by to už nezvládla od studny až k patě stožáru sáním vytáhnout). Aby se větrné kolo snadno rozbíhalo, je zapotřebí mrtvé hmotnosti svislých táhel a čerpacích tyčí vyvážit protizávažím nebo použít dvojzvratnou páku a energii přenášet pomocí dvou tenkých střídavě pracujících drátů. Aby dráty nepřekážely volnému pohybu na pozemku, mohou vést buď nad hlavou nebo naopak pod zemí v betonovém kanálku či rouře.

-----------------------------------

Pro běžnou praxi však raději zůstaneme u systémů, které byly rozšířené více a používaly je jak zemědělské usedlosti, tak malé mlýny nebo drobné řemeslné dílny. V nich býval pohon strojů nejčastěji řemenový. Buď přímo od motoru (parního stroje, stabilního motoru, vodního kola, žentouru aj.) nebo zdroj hnací síly nejprve roztáčel transmisní hřídel o od hřídele se pohánělo více strojů současně. To aby se hnací motor, když už běžel, řádně ekonomicky využil. (Kdo se tím chce zabývat podrobněji, naťuká si do googlu pěkně po anglicku "overhead line shaft".)

Řemeny
Nejčastěji používaným řemenem pro přímý mechanický pohon byl plochý řemen kožený. Kůže je totiž měkká, dobře a s malými ztrátami se ohýbá na řemenicích a má dobrý součinitel tření, takže neklouže. Také ji nevadí, pokud se smýká po kovové vodící vidlici nebo běží ve zkříženém opásání. Kůže je poměrně těžká, takže pokud jsou řemenice od sebe dostatečně vzdálené, už samotná váha řemene stačí k tomu, aby byl řemen dobře napnutý a spolehlivě běžel. Aby řemen z řemenic nepadal, i když nemají po stranách okraje, jsou řemenice uprostřed mírně větší (vyklenuté). Řemen má snahu nabíhat na vyvýšené místo řemenice a tím pádem se samočinně vycentruje uprostřed. Jakmile dojde k přetížení pohonu a řemen proklouzne, funkce "samoustřeďování" na řemenici přestane fungovat a řemen sklouzne z řemenice dolů. To se využívá jako bezpečnostní pojistka. Na rozdíl od řemenu klínového, který pokud v drážkách klouže, může se ohřát tak, že začne i hořet.

Čím je řemen širší a čím rychleji se pohybuje, tím větší výkon dokáže přenášet. V případě koženého řemene neplatí nějaký jednoduchý obecný vzorec, ale používá se tabulka vytvořená na základě praktických zátěžových zkoušek. Tabulka udává přenesený výkon při šířce řemene 100mm. Řemen poloviční šířky přenese poloviční výkon a naopak. Běžné zemědělské a dílenské stroje používaly obvodové rychlosti od 5 do 12 metrů za sekundu, jen výjimečně více. Řemeny bývaly tlusté od 4 do 8mm a široké od 40mm do 150mm, podle velikosti stroje, který poháněly.

Tabulka s praktickými údaji pro používání plochých kožených řemenů:
(rozkliknutím zvětšit)

Nejčastěji používaný řemen na zemědělských usedlostech měl tloušťku cca 4 až 5mm, šířku 70 až 80mm, lepené spoje a obvod okolo 8 metrů. Používal se na pohon cirkulárky, šrotovníku, řezačky píce i malé mlátičky. Pro malé výkony lze kožený plochý řemen v domácích podmínkách nahradit třeba i navoskovaným popruhem (vyřazený bezpečnostní pás z auta), gurtou a pod.

I když už existovaly klínové řemeny tak, jak je známe dnes, pro spojení dvou volně postavených strojů na hospodářském dvoře se nepoužívaly. Kdyby jeden ze strojů nebyl dobře ukotvený a uvolnil se, měl klínový řemen tendenci se zaříznout do drážky v řemenici, začít se na ni navíjet jako lano na vrátek a přitáhnout druhý stroj k sobě nebo s ním prudce smýknout. To by byla velmi nebezpečná situace. Naproti tomu, plochý řemen, ihned jakmile se změnila správná poloha postavení strojů, z řemenice spadl a k namotání nedošlo.

[Josef]

Přímé mechanické pohony - 4.část

Tak jako existuje tabulka pro rychlé určení potřebné šířky řemenů v závislosti na jejich rychlosti a přenášeného výkonu, tak existuje i tabulka pro přibližné určení průměru hřídele podle výkonu a otáček.

Tabulka pro stanovení průměru hřídele:
(kliknutím zvětšit)

Dlouhé hřídele bylo potřeba podpírat ložisky v pravidelných vzdálenostech - u tenkých hřídelů do 60mm po každých 2 metrech, u silnějších po 2,5 metrech. Dnes se používají kuličková ložiska s kuželovou dírou a kuželovým upínacím pouzdrem. V minulosti však bývaly častější ložiska kluzná a nebylo výjimkou, že se hřídel otáčel v prostém olejem nasáklém dubovém špalku. Vydrželo to kupodivu úspěšně běhat i desítky let. Protože se ocelové tyče z tzv. hlazenky vyrábějí jen ve čtyř nebo šestimetrových délkách, musí se dlouhý hřídel spojit z kratších dílů pomocí korýtkových nebo přírubových spojek. Je zapotřebí se vyhnout použití spojek s pružnými elementy (Bibi, Periflex aj.), protože s nimi sestavený dlouhý hřídel za běhu často trpí nekontrolovatelnými parazitními torzními kmity, které mohou ve výsledku zapříčinit jeho únavový lom.

-----------------------------

S přenosem rotačního pohybu na vzdálenost 12 metrů pomocí 25mm silného hřídele namontovaného podél stěny budovy se můžete setkat třeba když se svými dětmi navštívíte hřiště Mamutíkův vodní park v obci Dolní Morava pod Kralickým Sněžníkem. Je instalován u jedné z herních atrakcí. Je to však transmisní přenos použitý jen tak na ukázku - co by hračka. V praxi by mohl hřídel přenášet mnohem vyšší otáčky (optimálně tak 250 až 300 ot./min.) a tím pádem přenášet vyšší výkon a mít i klidnější chod. Ještě v období do cca 50-tých let bývalo celkem běžné, že například vodní mlýny nebo pily měly z budovy vyvedený dlouhý hřídel (zakončený řemenicí). Vedl buď na volné prostranství nebo do stodoly, kde sloužil na příležitostný pohon hospodářských strojů. Jindy zase byla hřídelem propojena budova mlýna s vedle stojící budovou pily. Přenášené výkony byly řádu jednotek až desítek kilowattů s účinností okolo 90% až 95% (což "elektrickou cestou" - tedy přes běžný generátor, dráty a elektromotor z tak malými ztrátami jen těžko zrealizujete).

[superhrdina]

super převod je zde, myslím kw na koně