De twee woorden in deze kop zijn een hele mond vol. Maar wat is een werktuigbouwkundige sterkteberekening nu precies? Het eerste woord zegt iets over de vakrichting werktuigbouwkunde. Het tweede woord zegt iets over een afgebakende wetenschap binnen de werktuigbouwkunde. Maar daarmee is nog niet verklaard wat een werktuigbouwkundige sterkteberekening nu precies is. In dit hoofdstuk zal ik in gewone taal proberen uit te leggen wat een werktuigbouwkundige sterkteberekening is, maar ook wat het niet is.
Werktuigbouwkunde versus bouwkunde
Het woord werktuigbouwkunde kunnen we ontleden in 2 delen. Werktuig en bouwkunde. En daar ontstaat ook vaak de verwarring. Want al gauw leest men alleen het woordje bouwkunde. En dat is iets totaal anders dan werktuigbouwkunde. Bouwkunde is de kunde van het bouwen van woningen en andere gebouwen. Zoals kantoren, flats, fabrieksgebouwen etc. Terwijl werktuigbouwkunde de kunde is van het bouwen van werktuigen. Maar wat is nu een werktuig?
Het woord werktuig
Het woord werktuig is weer te ontleden in twee delen. Namelijk werk en tuig. Het eerste deel “werk” is de stam van het werkwoord “werken”. En dat kennen we allemaal wel. Het tweede deel “tuig” is misschien een wat vager begrip.
Wikkipedia zegt het volgende over “tuig”
Tuig kan verwijzen naar:
Tuig van de richel: een uitdrukking voor ‘slecht volk’. Mensen die zich schuldig maken aan criminaliteit en anderen lastig vallen of mishandelen. Tuig is een afkorting van ‘werktuig’. Omdat er ook ondeugdelijke werktuigen bestonden werd het woord ’tuig’ een begrip voor slechte spullen. En later ook slechte mensen. De afkomst van ‘richel’ is onduidelijk. Het kan verwijzen naar de allergoedkoopste plaatsen in een schouwburg. Of een dikke plank in de koestal waarop het vee met de achterpoten stond.
Gereedschap: Werktuig, een stuk gereedschap
Gereedschapswerktuig: een machine waarmee het werk van handgereedschap is gemechaniseerd
Zintuig: een fysiologisch stuk gereedschap
een vaartuig, een voertuig, een vliegtuig
Tuigage (schip): al wat tot de optuiging van een schip behoort. Zoals zeilen en het lopend want.
Tuigage (rij- of trekdier): riemen om het lichaam van een dier:
Paardentuig: het tuigage bij een paard
Tuig (soort harnas) voor een persoon. Meestal voor de veiligheid op hoogte (zekering), bijvoorbeeld in een tokkelbaan.
Of een tuigje voor een peuter, aan een lijn die door de begeleider wordt vastgehouden
Een tuig is in brede zin dus een (hulp)middel dat het de mens of hun dieren mogelijk maakt om iets te doen of te creëren dat niet zou lukken met de blote handen of met het dier alleen.
Werktuig binnen de werktuigbouwkunde
Zoals hierboven in de eerste Wikipedia verklaring te lezen – “Tuig van de richel” – heeft het woord werktuig niet bepaald een positieve oorsprong. In de tegenwoordige tijd zijn die associaties natuurlijk al lang verdwenen. Voertuig, vliegtuig, vaartuig, ruimtevaartuig, werktuig enz. zijn allen begrippen met een neutrale of veelal technische lading. Als we ons even beperken tot de laatste, werktuig, dan hebben we het dus over een gereedschap, een machine of een apparaat. Kortom een technisch hulpmiddel waarmee we iets creëren, repareren, onderhouden of recyclen. Dat kunnen dus totaal verschillende werktuigen zijn. Het algemeen kenmerk is wel dat er meestal wel één of meerdere hand- of energie-aangedreven bewegende onderdelen aan zitten. Denk aan een cirkelzaag. Deze heeft tenminste één bewegend deel, namelijk de motor met daarop de zaag. Omdat deze energie-aangedreven is, is het niet alleen een werktuig maar tevens een machine. Een waterpomptang daarentegen, heeft weliswaar één bewegend deel ten opzichte van het andere deel. Maar het is geen machine omdat het menskracht bewogen wordt. De waterpomptang is wel een werktuig. Een hamer heeft geen bewegende delen. Het is slechts één deel. En toch is het een werktuig. Het is namelijk een middel waarmee je iets kunt bereiken dat met de blote hand niet lukt. Althans, er zullen maar weinig mensen zijn die een spijker met de blote vuist in een plank kunnen slaan. Een hamer is dus een werktuig, maar zeker geen machine omdat het geen bewegende delen heeft en niet energie-aangedreven is.
Wikipedia zegt het volgende over “machine”
een samenstel, voorzien van of bestemd om te worden voorzien van een aandrijfsysteem — maar niet op basis van rechtstreeks gebruikte menselijke of dierlijke spierkracht, van onderling verbonden onderdelen of componenten waarvan er ten minste één kan bewegen, en die samengevoegd worden voor een bepaalde toepassing;
een samenstel als bedoeld onder het eerste punt waaraan slechts de componenten voor de montage op de plaats van gebruik of voor de aansluiting op kracht-of aandrijfbronnen ontbreken;
een samenstel als bedoeld onder de eerste twee punten dat gereed is voor montage en dat alleen in deze staat kan functioneren na montage op een vervoermiddel of montage in een gebouw of bouwwerk;
samenstellen van machines als bedoeld onder het eerste, tweede en derde punt, en/of niet voltooide machines als bedoeld onder g) die, teneinde tot hetzelfde resultaat te komen, zodanig zijn opgesteld en worden bestuurd dat zij als één geheel functioneren;
een samenstel van onderling verbonden onderdelen of componenten waarvan er ten minste één kan bewegen, en die in hun samenhang bestemd zijn voor het heffen van lasten en die uitsluitend rechtstreeks aangedreven worden door menselijke spierkracht;
Vrijwel elke machine is opgebouwd uit specifieke en op maat gemaakte machine-onderdelen en bevat op zijn minst een frame of behuizing. Daarnaast bestaat het uit gestandaardiseerde onderdelen, zoals bevestigingsmaterialen en belagering, die in massa geproduceerd worden. Er zijn altijd vaste delen, zoals het frame, bouten, moeren en afdichtingen en beweegbare delen zoals de assen, de tandwielen en/of de hefbomen. Zie ook https://lara-groep.nl/home/engineering/mogelijkheden/keuring-en-certificering/machinerichtlijn/
Gek genoeg worden binnen de machinerichtlijn spierkracht bediende werktuigen, met tenminste één bewegend onderdeel ten opzichte van een ander in het samenstel bevindend onderdeel, wel gezien als een machine.
Het bouwen van werktuigen
De werktuigbouwkunde houdt zich dus bezig met het bedenken, ontwerpen en vervaardigen van werktuigen in de breedste zin van het woord. Om een werktuig te creëren moeten er vele vakdisciplines worden aangewend. Denk aan de uitvinder, de ontwerper, de constructeur en tenslotte de maker die allemaal hun specifieke kennis moeten toepassen. Daarbij moeten zij zekere eisen in acht nemen. Zo moet een werktuig veilig zijn voor mens, dier en omgeving. De graad van veiligheid wordt voorgeschreven in onder andere de machinerichtlijn. In die richtlijn wordt onder andere beschreven welke minimale eisen er worden gesteld aan de sterkte en stabiliteit van een werktuig.
artikel 4.1.2.3. van de machinerichtlijn, mechanische sterkte
De machine, het hijs- of hefgereedschap en de componenten ervan moeten bestand zijn tegen de belastingen waaraan zij in en eventueel buiten bedrijf en in alle mogelijke desbetreffende configuraties worden onderworpen onder de aangegeven installatie- en bedrijfscondities, waarbij in voorkomend geval rekening wordt gehouden met de effecten van klimatologische omstandigheden en door personen uitgeoefende krachten. Aan deze eis moet ook gedurende het vervoer, het monteren en het demonteren worden voldaan.
De machine en de hijs- of hefgereedschappen moeten zodanig zijn ontworpen en gebouwd dat er, rekening houdend met het beoogde gebruik, geen defecten ten gevolge van moeheid of slijtage optreden.
De keuze van de gebruikte materialen moet zijn afgestemd op de verwachte gebruiksomstandigheden, met name waar het gaat om corrosie, slijtage, schokken, extreme temperaturen, moeheid, broosheid en veroudering.
De machine en de hijs- of hefgereedschappen moeten zodanig zijn ontworpen en gebouwd dat zij de overbelasting waaraan zij bij statische beproeving worden blootgesteld, zonder blijvende vervorming of kennelijk defect kunnen doorstaan. Bij de berekeningen van de sterkte moet worden gebruikgemaakt van de waarden van de statische-beproevingscoëfficiënt, die zodanig wordt gekozen dat een adequaat veiligheidsniveau is gewaarborgd. Deze coëfficiënt heeft in de regel de volgende waarden:
a) met fysieke kracht bediende machines en hijs- of hefgereedschappen: 1,5;
b) andere machines: 1,25. De machine moet zodanig zijn ontworpen en gebouwd dat zij zonder defect de dynamische beproeving, die wordt verricht met de maximale werklast vermenigvuldigd met de dynamische-beproevingscoëfficiënt, kan doorstaan. Deze dynamische-beproevingscoëfficiënt wordt zodanig gekozen dat een adequaat veiligheidsniveau is gewaarborgd; deze coëfficiënt bedraagt in de regel 1,1. Deze proeven worden in de regel uitgevoerd met de aangegeven nominale snelheden. Wanneer de bedieningskring van de machine meerdere gelijktijdige bewegingen toelaat, moeten de proeven worden uitgevoerd onder de ongunstigste omstandigheden, hetgeen over het algemeen het geval is wanneer de bewegingen worden gecombineerd.
Werktuigbouwkundige sterkteberekening
En werktuigbouwkundige sterkteberekening is dus een berekening volgens de sterkteleer, waarmee wetenschappelijk wordt aangetoond in welke mate een werktuig bestand is tegen de daarop werkende belastingen. Zo mag de as van de cirkelzaag in geen geval en onder geen enkele omstandigheid afbreken. Dit zou immers fatale gevolgen kunnen hebben voor de bediener. Maar ook de benen van een waterpomptang mogen niet breken. Ook niet bij een ongebruikelijk hoge knijpkracht van de bediener. De sterkte, maar ook de weerstand tegen verbuigen, wordt bepaald met sterkteberekeningen. De uitkomsten daarvan geven aan wat in worstcase de veiligheidsmarge is ten opzichte van een vooraf gestelde waarde. Zo’n waarde kan bijvoorbeeld zijn de spanning tot vlak voor het vloeimoment (einde elasticiteit start plasticiteit) of de spanning bij breuk (bezwijken). Of een bepaalde doorzakking per meter lengte.
Factoren van invloed op de te kiezen werktuigbouwkundige sterkteberekening
- de soort belasting
statisch onveranderlijk, statisch veranderlijk, dynamisch, trilling, stootbelasting enz. - aanwezige restspanningen
bijvoorbeeld na lassen, gieten, machineren - het soort materiaal
ductile (taai) of brittle (bros) of kans op DBT (ductile brittle transition) - omgeving
luchtvochtigheid, agressieve omgeving, temperatuur, - nabehandeling
machineringsfijnheid, soort conservering/metalisering
Soorten sterkteberekeningen
Sterkteberekeningen kunnen in hoofdlijnen worden verdeeld in twee groepen
- Statisch
- Dynamisch
Voor statische berekeningen kunnen we dan nog onderscheid maken in veranderlijk en onveranderlijk.
Veel gemaakte zijn dan onder andere berekening van de sterkte tegen: trek, druk, buiging, afschuiving, torsie.
Ook een combinatie hiervan komt veel voor. Denk aan een aangedreven V-snaar die de motor-as tegelijkertijd wil buigen , afschuiven en torderen.
Bij dynamische belastingen kunnen bovengenoemde belastingen optreden, maar dan ook nog eens wisselend in allerleis variaties. Dus trek en druk kunnen dan een aantal malen per tijdseenheid wisselen. Hetzelfde geldt voor buiging, waarbij de uiterste vezels van een heen en weer buigende balk, om de beurt wisselen van trek naar druk en weer terug. Bij dynamische belastingen kan het gebeuren dat een onderdeel uiteindelijk toch bezwijkt, ook al zou deze dat niet moeten doen volgens een statische berekening met dezelfde belastingwaarden. We hebben dan te maken met fatigue (vermoeiing). Daarom wordt er bij dynamische belasting vaak ook gerekend wat de uiterste belasting is waarbij nog geen vermoeiing zal optreden of wat de veilige levensduur is bij een zekere dynamische belasting.
Tot zover dit onderwerp over werktuigbouwkundige sterkteberekening.
Lees hier meer over soorten werktuigbouwkundige sterkteberekening
In deze techno-rubriek , wordt uitleg gegeven over begrippen die bij sterkteberekeningen steeds centraal staan. Om onze opdrachtgevers iets meer inzicht te kunnen geven in deze materie, zullen er bij regelmaat essentiële onderwerpen worden behandeld. Hierdoor worden opdrachtgevers in staat gesteld om hun sterkteberekening behoefte beter en makkelijker te omschrijven. Maar ook om de sterkteberekening resultaten en rapporten beter te kunnen begrijpen. De onderwerpen zullen bij enige regelmaat worden gepubliceerd. Dus houd deze Techno-rubriek in de gaten en mis er niks van.