Engineering design of concealed hinges test station

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo Razvoj konstrukcije naprave za testiranje pohištvenih odmičnih spon Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo Tine Černač Ljubljana, avgust 2018 UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo Razvoj konstrukcije naprave za testiranje pohištvenih odmičnih spon Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo Tine Černač Mentor: izr. prof. dr. Jože Tavčar, univ. dipl. inž. Somentor: prof. dr. Jožef Duhovnik, univ. dipl. inž. Ljubljana, avgust 2018 Zahvala V prvi vrsti bi se zahvalil mentorju izr. prof. dr. Jožetu Tavčarju in somentorju prof. dr. Jožefu Duhovniku za posvečen čas in za vse nasvete ter ideje, ki sta mi jih podajala tekom nastajanja diplomskega dela. Zahvalil bi se tudi sodelavcem iz podjetja, ki so mi omogočili opravljanje diplomskega dela. Posebej bi se rad zahvalil Valterju Švari za vso pomoč pri snovanju naprave ter Petru Repku za pomoč pri izbiri in vezavi krmilnega dela. Posebna zahvala gre tudi staršem in ostalim družinskim članom za vso spodbudo in podporo skozi vsa leta. v vi vii viii Izvleček UDK 004.925.84:519.8(043.2) Tek. štev.: VS I/550 Razvoj konstrukcije naprave za testiranje pohištvenih odmičnih spon Tine Černač Ključne besede: SIST EN 15570 preizkuševališča pospešeno testiranje odmične spone funkcionalni testi Razvili smo napravo za hitro testiranje pohištvenih odmičnih spon na življenjsko dobo. V uvodnem poglavju smo predstavili pomen testiranja in definirali ozadje problema. Predstavili smo teoretično ozadje metod pospešenega testiranja in njihov pomen pri razvijanju novih izdelkov. Predstavili smo delovanje odmičnih spon in pripadajoč standard za testiranje. Izdelali smo funkcijsko strukturo in morfološko matriko, na podlagi katerih smo oblikovali tri koncepte. Te smo ovrednotili po izbranih kriterijih in najboljšega zasnovali do detajlnega modela. Preračunali smo potrebno moč pogonskega elektromotorja ter preverili statično nosilnost na kritičnih mestih. Na koncu smo izdelali celovito tehnično dokumentacijo. ix x Abstract UDC 004.925.84:519.8(043.2) No.: VS I/550 Engineering design of concealed hinges test station Tine Černač Key words: SIST EN 15570 test stations accelerated testing concealed hinges functional tests In this work, we developed a test station for concealed hinges life testing. In the introductory chapter, the importance of testing is described and the definition of this work is defined. Basic kinematics of concealed hinges is explained in theoretical part and further the standard SIST EN 15570 is precisely described. Additionally the review of accelerated testing methods is presented and their importance in the development of new products. On the base of the functional structure and morphological matrix, three concepts were designed which were in the next step evaluated according to the selected criteria. Calculations of critical elements were conducted, specifically, power of the drive electricmotor and the analysis of static load at critical sections. Finally, we created technical documentation for the whole test station. xi xii Kazalo Kazalo slik ...................................................................................................................... xv Kazalo preglednic ........................................................................................................ xvii Seznam uporabljenih simbolov ................................................................................... xix Seznam uporabljenih okrajšav .................................................................................... xxi 1 Uvod .............................................................................................. 1 1.1 Ozadje problema ............................................................................................ 1 1.2 Cilji .................................................................................................................. 2 2 Teoretične osnove in pregled literature .................................... 3 2.1 Kinematika delovanja odmične spone .......................................................... 3 2.2 Testiranje odmičnih spon .............................................................................. 8 2.3 Pospešeno testiranje (angl. accelerated testing – AT) ............................... 15 2.3.1 Testiranje izdelka na prostem z intenzivnejšo uporabo .................................. 16 2.3.2 Laboratorijsko testiranje izdelka na osnovi fizikalnih simulacij dejanske uporabe ........................................................................................................... 16 2.3.3 Laboratorijsko testiranje izdelka z računalniškimi simulacijami dejanske uporabe ........................................................................................................... 19 2.3.4 Splošno o metodah ART in ADT ................................................................... 20 3 Metodologija raziskave ............................................................. 23 3.1 Koncipiranje naprave .................................................................................. 23 3.2 Modeliranje naprave .................................................................................... 23 3.3 Preračuni ....................................................................................................... 24 4 Razvoj naprave .......................................................................... 25 4.1 Specifikacija konstrukcije ........................................................................... 25 4.2 Funkcijska struktura ................................................................................... 26 4.3 Morfološka matrika ..................................................................................... 27 4.4 Koncept 1 ...................................................................................................... 28 4.5 Koncept 2 ...................................................................................................... 29 xiii 4.6 Koncept 3 ...................................................................................................... 30 4.7 Vrednotenje konceptov ................................................................................ 31 4.8 Zasnova naprave .......................................................................................... 32 4.8.1 Stroškovna analiza .......................................................................................... 42 4.8.2 Sistem merjenja in beleženja sile zapiranja .................................................... 44 4.9 FMEA konstrukcije ..................................................................................... 48 5 Diskusija .................................................................................... 55 6 Zaključki .................................................................................... 57 Literatura ....................................................................................... 59 xiv Kazalo slik Slika 1: Izguba dobička na račun reklamacij [2] ................................................................................ 1 Slika 2: Položaj odmične spone v omari: a) vgradnja v omari, b) sodobna odmična spona .............. 3 Slika 3: Komponente odmične spone: a) pod-sestav podloga, b) pod-sestav clip, c) krilo, d) notranja vez, e) zunanja vez, f) pod-sestav lonček, g) helix vijak, h) regulacijski vijak, i) vzmet, j) reducirana kovica, k) U-kovica .............................................................................. 4 Slika 4: Gibanje lončka med zapiranjem odmične spone: a) odprta spona, b) priprta spona, c) skoraj zaprta spona, d) zaprta spona ................................................................................................ 5 Slika 5: Odpiranje vrat s 4-točkovnim vpetjem.................................................................................. 5 Slika 6: Položaj jezička med zapiranjem odmične spone: a) odprta spona – jeziček je usmerjen navzgor, b) delno zaprta spona – jeziček je vodoraven, c) zaprta spona – jeziček je usmerjen navzdol ................................................................................................................... 6 Slika 7: Regulacija odmične spone .................................................................................................... 6 Slika 8: Delitev odmičnih spon glede na položaj vrat: a) ravno krilo, b) upognjeno krilo – 5 mm, c) upognjeno krilo – 9 mm, d) upognjeno krilo – 17 mm [5] .................................................... 7 Slika 9: Delitev odmičnih spon glede na končni kot odpiranja: a) 110°, b) 120°, c) 170° [5] ........... 7 Slika 10: Delitev odmičnih spon glede na kot, pri katerem je spona zaprta: a) 15°, b) 30°, c) 45°, d) 90° [5] ............................................................................................................................. 8 Slika 11: Koraki celotnega testa po standardu SIST EN 15570:2008 ................................................ 9 Slika 12: a) splošna konstrukcija testirne naprave [1], b) dejanska konstrukcija testirne naprave .... 9 Slika 13: a) predpisano mesto delovanja horizontalne obremenitve: 1) dolžina 100 mm, 2) višina lesene plošče, 3) polovica višine lesene plošče [1]; b) praktično izvajanje horizontalnega testa preobremenitve; c) praktično izvajanje vertikalnega testa preobremenitve ............. 11 Slika 14: a) predpisano mesto meritve sile zapiranja: 1) lesena plošča, 2) širina, 3) višina, 4) polovica višine [1]; b) praktično izvajanje meritve sile zapiranja z merilnikom .............. 12 Slika 15: a) predpisana izvedba slam testa: 1) lesena plošča, 2) širina, 3) višina, 4) polovica višine [1]; b) praktično izvajanje testa silovitega zapiranja ........................................................ 12 Slika 16: c) predpisana lokacija meritev: a) referenčna linija, b) stranska lesena plošča, z) poves, 1) lesena plošča [1]; d) praktično izvajanje meritev povesa ................................................. 13 Slika 17: a) obremenitev med trajnostnim testom: 1) masa [1]; b) praktično izvajanje trajnostnega testa ................................................................................................................................... 13 Slika 18: Povezava osnovnih štirih faktorjev dobrega izdelka [6] ................................................... 15 Slika 19: Stopenjsko spreminjanje obremenitvenih faktorjev [2] .................................................... 17 Slika 20: Naprava za pospešeno testiranja polimernih zobnikov: a) shema, b) izdelana naprava [3] .......................................................................................................................................... 18 Slika 21: Potek navora v odvisnosti od opravljenih ciklov [3] ........................................................ 19 Slika 22: Osnovni koraki metod ART/ADT [6] ............................................................................... 20 Slika 23: Shema ART/ADT ............................................................................................................. 21 Slika 24: Abstraktna predstavitev problema testiranja odmični spon .............................................. 26 Slika 25: Razširjena funkcijska struktura ......................................................................................... 26 Slika 26: Model koncepta 1.............................................................................................................. 28 Slika 27: Model koncepta 2.............................................................................................................. 29 xv Slika 28: Model koncepta 3 .............................................................................................................. 30 Slika 29: Nosilni okvir naprave ........................................................................................................ 32 Slika 30: Določitev momenta zapiranja odmične spone .................................................................. 33 Slika 31: Kolut z ekscentričnimi izvrtinami glede na os rotacije ..................................................... 34 Slika 32: Pritrditev elektromotorja s polžnim reduktorjem .............................................................. 35 Slika 33: Sestav mehanizma za odpiranje/zapiranje kompleta odmičnih spon ................................ 36 Slika 34: Varnostna kletka s ploščami PMMA ................................................................................ 37 Slika 35: Postavitev induktivnega senzorja ...................................................................................... 37 Slika 36: Konzolno vpet T-nosilec ................................................................................................... 38 Slika 37: Zvarni spoj T-nosilca in nosilnega okvirja........................................................................ 40 Slika 38: Pretvorba parametrov pri merjenju sile zapiranja odmičnih spon ..................................... 44 Slika 39: Shema povezav pri merjenju sile zapiranja odmičnih spon .............................................. 44 Slika 40: Funkcijska struktura 3D-modela naprave ......................................................................... 49 xvi Kazalo preglednic Preglednica 2.1: Standarda EN 320:1993 in EN 323:1993 [1] ........................................................ 10 Preglednica 2.2: Predpisane kategorije velikosti lesenih vrat po SIST EN 15570 [1] ..................... 10 Preglednica 2.3: Kategorije obremenitev po SIST EN 15570 [1] .................................................... 11 Preglednica 2.4: Primer meritev sile zapiranja pri trajnostnem testu ............................................... 14 Preglednica 4.1: Specifikacija konstrukcije ..................................................................................... 25 Preglednica 4.2: Morfološka matrika naprave za testiranje odmičnih spon ..................................... 27 Preglednica 4.3: Ocenjevanje konceptov ......................................................................................... 31 Preglednica 4.4: Stroškovna analiza standardnih elementov ........................................................... 42 Preglednica 4.5: Stroškovna analiza konstruiranih elementov ......................................................... 43 Preglednica 4.6: Razmerja kotov zasuka koluta in odprtja odmične spone za različne kategorije .. 47 Preglednica 4.7: FMEA konstrukcije naprave za testiranje odmičnih spon ..................................... 51 xvii xviii Seznam uporabljenih simbolov Oznaka Enota Pomen Azv,v b E emax f Fh mm2 mm MPa mm mm N Fv Fzap,2 G gi Gkolut Gmot,red Gostalo i I IIN J Jvp l m Mbreme Mmax Mpog Mposp Mr2 Mzap,2 Mzap,6 n n2 Pr1 r N N N / N N N / mm4 A kgm2 kgm2 mm kg Nm Nm Nm Nm Nm Nm Nm min-1 min-1 W mm R ReH tposp tposp,vp Tz tzajem mm MPa s s N s VIN wi α V / / površina vertikalnih zvarov širina vpenjalne plošče modul elastičnosti razdalja do skrajne točke prereza poves nosilca horizontalna sila pri horizontalnem preobremenitvenem testu vertikalna sila pri vertikalnem preobremenitvenem testu sila zapiranja dvojice odmičnih spon skupna obremenitev faktor težkanja teža koluta teža elektromotorja in reduktorja teža ostalih elementov prestavno razmerje vztrajnostni moment prereza vhodni električni tok v frekvenčni regulator masni vztrajnostni moment koluta masni vztrajnostni moment vpenjalne plošče dolžina masa moment bremena maksimalni notranji moment moment za pogon elementov moment pospeševanja koluta potreben moment moment zapiranja dvojice odmičnih spon moment zapiranja kompleta šestih odmičnih spon vrtljaji na izhodu reduktorja vrtljaji motorja potrebna moč ročica med mestom merjenja sile zapiranja in vrtiščem odmične spone polmer meja tečenja čas pospeševanja čas pospeševanja vpenjalne plošče notranja prečna sila čas zajemanja vrednosti parametrov v frekvenčnem regulatorju vhodna električna napetost v frekvenčni regulator vrednost kriterija faktor obremenitve xix αvp β γ ηd ηmotor ν σdop,om σdop,zv σpr σu,max τxz ω xx s-2 ° ° / / / MPa MPa MPa MPa MPa s-1 kotni pospešek vpenjalne plošče zasuk koluta kot odprtja odmične spone dinamični izkoristek reduktorja izkoristek elektromotorja varnost dopustna napetost osnovnega materiala dopustna napetost v zvaru primerjalna napetost maksimalna upogibna napetost strižna napetost v ravnini x-z kotna hitrost Seznam uporabljenih okrajšav Okrajšava AA ADT ART AT CSV FMEA HALT HASS PMMA Pomen pospešeno staranje (angl. Accelerated Aging) pospešeno testiranje na vzdržljivost (angl. Accelerated Durability Testing) pospešeno testiranje na zanesljivost (angl. Accelerated Reliability Testing) pospešeno testiranje (angl. Accelerated Testing) vrednosti, ločene z vejico (angl. Comma-Separated Values) analiza možnih napak in njihovih vzrokov (angl. Failure Mode and Effects Analisys) pospešeno testiranje na življenjsko dobo (angl. Highly Accelerated Life Testing) pospešeno obremenitveno testiranje (angl. Highly Accelerated Stress Screening) polimetilmetakrilat xxi xxii 1 Uvod 1.1 Ozadje problema V današnjih časih je cilj vsakega podjetja zadovoljevati potrebe in želje različnih kupcev. Neugoden scenarij, tako s stališča časa kot stroškov, je za podjetja zavračanje že poslanih izdelkov oz. reklamacija. To lahko privede do slabega mnenja o podjetju ali celo izgube posla. Posebno v masovno usmerjenih podjetjih, kjer se proizvede več tisoč izdelkov dnevno ali tedensko, je zalogaj ohranjati nadzor na procesi in nad izdelki, ki zapustijo podjetje in gredo h kupcem. Vsaka morebitna reklamacija pomeni vračanje pošiljke nazaj v podjetje, priprava nove pošiljke in ponovno organiziranje prevoza do kupca, vse seveda na lastne stroške podjetja. Največja škoda pa se naredi na izgubljenem času, ki ga določena skupina ljudi porabi za popravilo oz. pripravo nove pošiljke, med tem ko bi morali opravljati drugo delo. Na sliki 1 je predstavljena izguba dobička oz. škoda, ki nastane zaradi nekakovostnih izdelkov ali napačno poslanega blaga. Prvi stolpec na sliki 1 označuje pridobljen dobiček brez reklamacij, med tem ko naslednji štirje predstavljajo zmanjšanje dobička zaradi odpoklicev pošiljk, zakasnitev ali začasne ustavitve novih pošiljk, popravila reklamirane pošiljke ter ponovnega pošiljanja kupcu. Slika 1: Izguba dobička na račun reklamacij [2] 1 Uvod Pri masovno proizvedenih količinah je ključno spremljati in nadzirati procese od dobave osnovnega materiala in polizdelkov različnih dobaviteljev do končnega izdelka, ki ga prejme kupec. Na vsaki stopnji izdelave in predelave (na primer brizganje plastičnih mas, preoblikovanje pločevine, sestavljanje polizdelkov itd.) morajo biti zagotovljeni redni pregledi po pripadajočih kontrolnih postopkih, preden se določena operacija zaključi in se odobri prehod na naslednjo. Zagotavljanje kakovosti vseh proizvodov je eden izmed glavnih ciljev podjetij. Najbolj merodajen pokazatelj kakovosti izdelkov je celovito testiranje po prirejenih standardih in zahtevah končnih kupcev. Testiranje pohištvenih odmičnih spon (v nadaljevanju odmičnih spon) po standardu traja več dni, saj morajo prestati predvideno število ciklov v življenjski dobi. Izvajajo se vertikalni in horizontalni obremenitveni in preobremenitveni testi, ki simulirajo možne scenarije tekom življenjske dobe. Taki testi že sodijo v področje pospešenega testiranja, saj se z intenzivnejšo uporabo v le nekaj dneh opravi toliko ciklov, kot naj bi jih odmična spona izvedla v svoji življenjski dobi, torej v deset in več letih. Pri razvoju novih produktov pa so želene hitre povratne informacije o delovanju prvih prototipov, zato je treba test še pospešiti. Izvajajo se hitri testi na življenjsko dobo, kjer odmične spone prestanejo predvideno življenjsko dobo v dobrih 24 urah. Taki testi sicer niso primerljivi oz. enakovredni standardnemu testiranju, se jih pa uporablja za interne potrebe. Zelo uporabni postanejo pri vpeljevanju sprememb in korekcij na izdelku ali pri iskanju novih rešitev za odpravo morebitnih napak. Na ta način s hitrim testiranjem dobimo povratno informacijo o delovanju in obstojnosti novih prototipov ali korigiranih serijskih izdelkih. Bistveni razliki med standardnim in nestandardnim hitrim testom sta v hitrosti delovanja ter v številu testiranih odmičnih spon, saj lahko pri hitrem testu testiramo več kot dve odmični sponi hkrati na en pogonski motor, med tem ko se pri standardnem testu testirata samo dve odmični sponi na en pogonski motor. Predstavili bomo idejo za izdelavo novega preizkuševališča za hitro testiranje odmičnih spon na življenjsko dobo. Podrobneje bomo spoznali delovanje odmičnih spon in vlogo vsake komponente ter pogledali trenutno veljaven slovenski standard za testiranje odmičnih spon. 1.2 Cilji Cilj diplomskega dela je v celoti skonstruirati napravo za hitro testiranje odmičnih spon. Prikazani in obrazloženi bodo različni načini testiranja odmičnih spon. Izvedeni bodo preračuni pogonskega sklopa, statične nosilnosti kritičnih delov ter zvarnih spojev. Cilj je prikazati in predstaviti posamezne korake konstrukcijskega procesa. Izvedli bomo analizo možnih okvar in njihovih posledic na konstrukcijo naprave (FMEA). Zahtevano je reguliranje in nadzorovanje hitrosti testiranja. S tem bi preizkusili odzive odmičnih spon na različne hitrosti odpiranja in zapiranja. Želja je izvajanje meritev sile zapiranja oz. momenta, potrebnega za obratovanje, iz katerega bi bilo možno odčitati morebitne okvare oz. spremembe v delovanju odmične spone. Treba je zagotoviti hkratno testiranje na dveh ločenih postajah z možnostjo uporabe zgolj ene. Vpenjanje spon mora biti izvedeno enostavno in hitro ter na dostopnem mestu. 2 2 Teoretične osnove in pregled literature 2.1 Kinematika delovanja odmične spone Odmične spone so elementi, ki so v osnovi nosilci vrat v pohištvenih omarah ter služijo za njihovo gladko ter vodeno odpiranje in zapiranje. Lastnost spon je zgoščenost komponent v kompaktno obliko, tako da zavzamejo kar se da najmanj prostora v omari. Primer sodobne odmične spone je prikazan na sliki 2. Običajno sta v pohištvenih omarah vgrajeni dve odmični sponi za ena vrata (slika 2 a). Za večje pohištvo, kot so drsne ali garderobne omare, pa se vgrajuje tudi štiri odmične spone. Omara Vrata a) b) Slika 2: Položaj odmične spone v omari: a) vgradnja v omari, b) sodobna odmična spona 3 Teoretične osnove in pregled literature Komponente, ki sestavljajo odmično spono, so prikazane in poimenovane na sliki 3. Sestavljena je iz enajstih delov in treh pod-sestavov. Sestavni elementi na sliki 3 so izdelani s postopkom preoblikovanja pločevine (razen kovic, vzmeti in vijakov). Uporabljajo se tudi elementi, ki so izdelani s postopkov tlačnega litja (predvsem za zahtevne oblike). f) d) a) c) b) e) g) h) i) k) j) Slika 3: Komponente odmične spone: a) pod-sestav podloga, b) pod-sestav clip, c) krilo, d) notranja vez, e) zunanja vez, f) pod-sestav lonček, g) helix vijak, h) regulacijski vijak, i) vzmet, j) reducirana kovica, k) U-kovica Lonček je preko notranje in zunanje vezi povezan s krilom. Pri praktični uporabi sta podloga in krilo nepremična (razen nekaj možnih regulacij). Posebnost gibanja lončka je v 4-točkovnem vpetju, kar pomeni, da so omogočene rotacije okoli 4 osi (2 na zunanji in 2 na notranji vezi). Za skupno vrtišče se smatra presečišče dveh osnih povezav. Osni povezavi tvorimo tako, da ločeno povežemo osi zunanje vezi in notranje vezi. Na sliki 4 je v štirih korakih prikazano gibanje lončka med zapiranjem odmične spone. Lastnost omenjenega sistema je, da poleg rotacije lončka zagotavlja tudi določen odmik lončka od omare. Ta odmik dosežemo z oddaljenostjo skupnega vrtišča od lončka. Slika 4 c prikazuje položaj lončka, kjer je skupno vrtišče najbolj odmaknjeno. Večja oddaljenost vrtišča pomeni večji radij rotacije, kar pa pri začetnem gibanju lončka pomeni skorajda premočrtno gibanje z minimalno rotacijo. Bližje je skupno vrtišče, hitreje se lonček zavrti (slika 4 b). 4 Teoretične osnove in pregled literature Skupno vrtišče a) b) Trajektorija vrtišča c) d) Osna povezava Slika 4: Gibanje lončka med zapiranjem odmične spone: a) odprta spona, b) priprta spona, c) skoraj zaprta spona, d) zaprta spona Namen oz. potreba po takem sistemu odpiranja in zapiranja odmične spone se pokaže pri odpiranju vrat omare. Slika 5 shematsko prikazuje položaj zaprtih vrat ter končni položaj odprtih vrat pri 4-točkovnem vpetju. V primeru, da bi vrata samo rotirala okoli svoje osi, bi prišlo do dotika med vrati in omaro ter s sosednjimi vrati. S 4-točkovnim vpetjem pa dosežemo potrebne odmike med omaro in sosednjimi vrati (razdalja s in p na sliki 5). Slika 5: Odpiranje vrat s 4-točkovnim vpetjem 5 Teoretične osnove in pregled literature Pomembna komponenta je vzmet, ki preprečuje prosto premikanje lončka in notranje vzmeti glede na krilo. Vzmet neprestano pritiska na jeziček notranje vezi (slika 6 a), tako da je za odpiranje in zapiranje spone potrebna zunanja sila. Pri odprti sponi ta pritisna sila vzmeti ne povzroča velikega momenta (majhna ročica glede na os kovice), zadostuje pa za preprečitev prostega premikanja lončka. Jeziček je usmerjen navzgor. Pri zapiranju spone notranja vez rotira okoli osi kovice in posledično premika jeziček navzdol. Na točki, ko jeziček preide vodoravni položaj (slika 6 b), pride do ročice med točko delovanja sile in osjo kovice, kar privede do momenta sile vzmeti glede na os rotacije notranje vezi (os kovice). Moment povzroči zapiranje spone brez potrebe po zunanji sili. Kot odprtja spone, kjer se pojavi ta moment, se imenujejo zaporni kot. Njegova vrednost znaša približno 23°. Jeziček notranje vezi Vzmet a) b) c) Slika 6: Položaj jezička med zapiranjem odmične spone: a) odprta spona – jeziček je usmerjen navzgor, b) delno zaprta spona – jeziček je vodoraven, c) zaprta spona – jeziček je usmerjen navzdol Odmična spona na sliki 7 omogoča dve regulaciji na krilu in eno regulacijo na podlogi. Gre za relativno majhne pomike, ki prilagodijo položaj spone na mestu pritrditve predvsem zaradi napak pri vgradnji. Z rotacijo helix vijaka se spona premika po dolžini krila. Podloga in podsestav – clip sta nepremična. Gre za globinsko regulacijo, kjer ali odmikamo vrata od omare ali jih približujemo. Z rotacijo regulacijskega vijaka premikamo spono po višini krila. Gre za horizontalno regulacijo, kjer reguliramo prekritje vrat in omare. Helix vijak Regulacijski vijak Slika 7: Regulacija odmične spone 6 Teoretične osnove in pregled literature Odmične spone se skozi čas niso precej spremenile, saj princip delovanja ostaja enak že leta. Razvoj novih odmičnih spon stremi predvsem h kakovosti in vzdržljivosti ter čim manjši porabi materiala. Vedno večji pomen ima tudi vizualna podoba odmičnih spon. Spone se razlikujejo v več kategorijah. Ena od delitev je po višini krila, ki definira prekritje vrat na omari. Vrata so tako lahko nameščena na zunanji ali notranji strani omare. Na sliki 8 so vidne odmične spone z različnimi višinami krila in položaj vrat za posamezno višino. Vrata, ki so shematsko prikazana pod sponami, so v zaprti legi. b) a) c) d) Omara Vrata Slika 8: Delitev odmičnih spon glede na položaj vrat: a) ravno krilo, b) upognjeno krilo – 5 mm, c) upognjeno krilo – 9 mm, d) upognjeno krilo – 17 mm [5] Druga delitev odmičnih spon je po maksimalnem kotu odpiranja. Na sliki 9 so predstavljene tri najbolj običajne spone glede na končni kot odpiranja. a) c) b) Omara Vrata Slika 9: Delitev odmičnih spon glede na končni kot odpiranja: a) 110°, b) 120°, c) 170° [5] 7 Teoretične osnove in pregled literature Odmične spone se razlikujejo še glede na kot, pri katerem je spona zaprta. Na sliki 10 so predstavljene tipične odmične spone, ki so pritrjene pod kotom glede na odpiranje vrat. a) b) c) d) Slika 10: Delitev odmičnih spon glede na kot, pri katerem je spona zaprta: a) 15°, b) 30°, c) 45°, d) 90° [5] 2.2 Testiranje odmičnih spon Testiranje odmičnih spon je ključnega pomena, saj iz rezultatov in meritev dobimo pomembne podatke o kakovosti, na podlagi katerih določimo ali predvidevamo življenjsko dobo ter obstojnost odmičnih spon. Če so rezultati pod pričakovanji ali če ne izpolnjujejo zahtev, je treba poiskati šibke točke in jih s spremembami odpraviti. Za zagotavljanje skladnosti meritev in primerljivosti med posameznimi konkurenčnimi proizvajalci so bili uvedeni različni standardi, ki natančno predpisujejo potek testiranja in beleženja rezultatov. Paziti je treba, da se testiranja opravljajo po standardu, uveljavljenem v državi kupca, saj so lahko zahteve drugačne, a jih je treba v celoti izpolniti. Za evropski trg je uveljavljen standard SIST EN 15570:2008. Ta opredeljuje vse zahteve in navodila za testiranje trdnosti in trajnosti odmičnih spon ter njihovih komponent [1]. Na primer za kupce v Veliki Britaniji se je treba držati njihovega standarda BS 6222-2:2009. Na sliki 11 je shematsko prikazan obseg celotnega testa za odmične spone po standardu SIST EN 15570:2008. Razdeljen je na tri sklope, za vsakega se uporabi nov komplet vzorcev. Vzorec sestavljata dve odmični sponi. V prvem sklopu testiramo, ali vzorec zdrži predpisane vertikalne in horizontalne preobremenitve. V drugem sklopu izvedemo trajnostni test, kjer merimo silo zapiranja in poves, testiramo vertikalne in horizontalne obremenitve ter silovito zapiranje. V tretjem sklopu sledi še test na korozijsko odpornost, kjer vzorec testiramo v slani komori. 8 Teoretične osnove in pregled literature Slika 11: Koraki celotnega testa po standardu SIST EN 15570:2008 Testi se izvajajo na namenskih napravah, katerih konstrukcija ni specifično določena. Nosilni okvir naprave za testiranje mora biti robusten in tog, njegova deformacija med apliciranimi obremenitvami pa ne sme presegati 1 mm [1]. Standard ne predpisuje konstrukcijskih podrobnosti naprave in ne točnega položaja testnih vrat na okvirju. Na sliki 12 je prikazana dejanska naprava za testiranje odmičnih spon, ki se uporablja v podjetju. a) Slika 12: a) splošna konstrukcija testirne naprave [1], b) dejanska konstrukcija testirne naprave 9 Teoretične osnove in pregled literature Večinoma so odmične spone namenjene pritrditvi v les. Izjeme so tiste, ki so prilagojene za steklena vrata ali druge materiale. Lesene plošče (v nadaljevanju vrata), v katere se pritrdi odmične spone, so predpisane velikosti in gostote. Navadno se uporabljajo kar iverne plošče, ki ne sodijo med najbolj nosilne in trdne, vendar so cenovno ugodne. Primernost ivernih plošč predpisujeta dva standarda (preglednica 2.1), in sicer EN 320:1993, ki zahteva določeno silo pri vertikalnem izvleku vijakov, in EN 323:1993, ki zahteva določeno gostoto iverne plošče [1]. Preglednica 2.1: Standarda EN 320:1993 in EN 323:1993 [1] Ravno tako so standardizirane dimenzije vrat. Na voljo je več kategorij velikosti za različne aplikacije oz. različne zahteve [1]. Različne dimenzije vrat vplivajo na različno maso, kar posledično pomeni drugačno obremenitev odmične spone (preglednica 2.2). V podjetju uporabljajo večinoma vrata v velikosti 600 × 700 mm ter debeline 19 mm. Preglednica 2.2: Predpisane kategorije velikosti lesenih vrat po SIST EN 15570 [1] Prvi komplet odmičnih spon testiramo samo na vertikalno in horizontalno statično preobremenitev. Pri vertikalnem statičnem preobremenitvenem testu na vrata obesimo maso 30 kg in opravimo 10 polnih ciklov odpiranja in zapiranja [1]. Pri horizontalnem statičnem preobremenitvenem testu odmične spone obremenimo preko mejnega kota. Mejni kot predstavlja skrajno odprto lego odmične spone, torej vrat. Na predpisano mesto se prisloni merilec sile in vnese obremenitev. Sila, ki jo mora par odmičnih spon zdržati, je 80 N. To ponovimo 10 polnih ciklov. Med vsakim ciklom obremenitev popolnoma sprostimo [1]. 10 Teoretične osnove in pregled literature Na sliki 13 je prikazano predpisano mesto delovanja obremenitev in praktično izvajanje testov. Fv Fh a) Slika 13: a) predpisano mesto delovanja horizontalne obremenitve: 1) dolžina 100 mm, 2) višina lesene plošče, 3) polovica višine lesene plošče [1]; b) praktično izvajanje horizontalnega testa preobremenitve; c) praktično izvajanje vertikalnega testa preobremenitve Standard predpisuje tri kategorije obremenitev, po katerih se izvede testiranje [1]. Katero kategorijo upoštevati, določi kupec izdelka. Vrednosti iz preglednice 2.3 veljajo za obremenitve drugega kompleta vzorcev. Preglednica 2.3: Kategorije obremenitev po SIST EN 15570 [1] Pri drugem kompletu vzorcev so zahtevane še dodatne meritve. Izvesti je treba meritev sile zapiranja vrat, horizontalni in vertikalni obremenitveni test, silovito zapiranje (t. i. slam test), meritev povesa ter trajnostni test [1]. Najprej se izmeri silo zapiranja vrat. Meritev izvedemo pri minimalno odprti sponi. Uporabljen je namenski merilnik sile [1]. Merilnik na sliki 14 vrednost sile zapiranja prikazuje na 0,01 N natančno, kar zadostuje zahtevam, ki predpisujejo, da sila ne sme pasti pod 0,5 N pred in po trajnostnem testu. Na sliki 14 je prikazano predpisano mesto merjenja ter praktično izvajanje meritev. 11 Teoretične osnove in pregled literature a) Slika 14: a) predpisano mesto meritve sile zapiranja: 1) lesena plošča, 2) širina, 3) višina, 4) polovica višine [1]; b) praktično izvajanje meritve sile zapiranja z merilnikom Sledi izvedba vertikalnega in horizontalnega statičnega obremenitvenega testa. Tukaj ne gre za preobremenitveni test, je pa princip izvajanja enak. Pri vertikalnem testu lesena vrata obremenimo z 20 kg in ponovimo 10 polnih ciklov odpiranja in zapiranja (v preglednici 2.3 pod kategorijo 3). Pri horizontalnem testu spone obremenimo preko mejnega kota s silo 40 N in izvedemo 10 ciklov. Po vsakem testu se par spon vizualno pregleda in opazuje možne napake, kot so lomi ali zvijanje [1]. Test izvajamo na enak način, kot je vidno na sliki 13. Naslednji test drugega kompleta je silovito zapiranje oziroma t. i. slam test. S tem testom simuliramo sunkovito zapiranje vrat. Na leseno ploščo preko škripca obesimo maso, tako da njena gravitacijska sila teži k zapiranju vrat (slika 15). Masa uteži je predpisana in znaša 4 kg [1]. Fv a) b) Slika 15: a) predpisana izvedba slam testa: 1) lesena plošča, 2) širina, 3) višina, 4) polovica višine [1]; b) praktično izvajanje testa silovitega zapiranja 12 Teoretične osnove in pregled literature Po testu silovitega zapiranja izvedemo meritve povesa spon oz. lesenih vrat [1]. To je pomembno izmeriti pred trajnostnim testom, da imamo zapisano začetno stanje, ki ga primerjamo s končnim stanjem po trajnostnem testu. Praktično se poves meri glede na referenčni profil, kot je prikazano na sliki 16. c) Slika 16: c) predpisana lokacija meritev: a) referenčna linija, b) stranska lesena plošča, z) poves, 1) lesena plošča [1]; d) praktično izvajanje meritev povesa Sledi trajnostni test, ki ga izvajamo neprekinjeno 80.000 polnih ciklov odpiranja in zapiranja. Na lesena vrata pritrdimo dve masi, težki 1 kg [1]. Na sliki 17 je prikazana predpisana izvedba trajnostnega testa ter njegovo praktično izvajanje. a) Slika 17: a) obremenitev med trajnostnim testom: 1) masa [1]; b) praktično izvajanje trajnostnega testa 13 Teoretične osnove in pregled literature Po trajnostnem testu ponovimo meritve povesa, kot je vidno na sliki 16, in primerjamo rezultate pred in po testu. Da ugotovimo, ali je par spon še vedno uporaben, ponovno izvedemo vertikalni in horizontalni statični obremenitveni test, kot je prikazano na sliki 13 [1]. V preglednici 2.4 je prikazan primer opravljenih meritev sile zapiranja na nekaj vzorcih odmičnih spon. Sila se pred trajnostnim testom giblje okoli 3 N, med tem ko na koncu trajnostnega testa ta pade tudi pod 1 N. Glede na dnevno število ciklov, ki jih odmične spone opravijo pri dejanski uporabi (okvirno 10), 100.000 ciklov med testiranjem pomeni približno 27 let dejanske uporabe. Preglednica 2.4: Primer meritev sile zapiranja pri trajnostnem testu Vzorec (par odmičnih spon) A (brez blaženja) B (brez blaženja) C (brez blaženja) D (brez blaženja) E (z blaženjem) F (z blaženjem) G (z blaženjem) H (z blaženjem) Sila zapiranja pred trajnostnim testom (0 ciklov) [N] 2,7 3,2 2,9 2,3 2,5 3,1 2,7 2,3 Sila zapiranja na polovici trajnostnega testa (50.000 ciklov) [N] 1,1 1,3 1,5 1,9 0,8 0,9 0,8 0,7 Sila zapiranja po trajnostnem testu (100.000 ciklov) [N] 0,6 1,1 1,2 0,7 0,6 0,5 0,9 0,5 Tretji komplet vzorcev se testira na korozijsko obstojnost. Upošteva se standard EN ISO 6270-2. Test se izvaja v slani komori. Po opravljenem testu komponente (razen nekaj izjem) ne smejo kazati znakov korozije [1]. 14 Teoretične osnove in pregled literature 2.3 Pospešeno testiranje (angl. accelerated testing – AT) Testiranje izdelkov je pomemben korak pred validacijo in vstopom na tržišče. Če vstopamo na trg z izdelkom, ki ni ustrezno testiran in analiziran, nimamo nobenih informacij o samem delovanju izdelka in njegovi zanesljivosti. To pa pomeni, da obstaja velika možnost reklamacij in zavračanja izdelkov s strani naših kupcev. Življenjska doba izdelkov znaša tudi več let. Pri klasičnem testiranju bi izdelke prenesli v dejansko uporabo in spremljali njihovo vzdržljivost in stopnjo degradacije tekom življenjske dobe. To lahko traja zelo dolgo (več let), kar je v fazi razvoja izdelkov nesprejemljivo in neracionalno. AT-metode so že dolgo poznane, njihov razvoj pa se še danes nadaljuje zaradi vse ostrejših zahtev in kompleksnosti izdelkov. Metode, ki so bile uporabljene v preteklosti, niso več zadovoljive za potrebe sedanjosti. Enako velja za metode, ki se uporabljajo danes, saj verjetno ne bodo zadovoljile potreb v prihodnosti [6]. Osnovni namen AT-metod je pridobivanje ključnih informacij glede kakovosti, zanesljivosti, vzdržljivosti ter vzdrževanosti. Način testiranja in izbira pravilnih parametrov, opreme in prostora morajo biti prilagojeni tako, da zagotavljajo take pogoje, ki najbolje pripomorejo h kakovosti in zanesljivosti testiranega predmeta. Kakovost, zanesljivost, vzdržljivost ter vzdrževanost so faktorji, ki so tesno povezani med seboj in neposredno vplivajo en na drugega [6]. Njihovo povezanost opisuje slika 18. Kakovost je sposobnost izdelka ali procesa za zadovoljevanje potreb uporabnika. Zanesljivost je sposobnost izdelka ali procesa za opravljanje potrebne funkcije pri danih pogojih in za določen časovni interval [6]. Prednost uporabe metod pospešenega testiranja je tudi v hitrejšem zaznavanju in odkrivanju napak. Napake so posledica bodisi slabe konstrukcijske rešitve bodisi preobremenjenosti. Predstavljajo torej šibko točko izdelka in slabšajo njegovo kakovost. Z zgodnim odkrivanjem napak, lahko te preprečimo s korekcijo konstrukcije izdelka. Slika 18: Povezava osnovnih štirih faktorjev dobrega izdelka [6] 15 Teoretične osnove in pregled literature Poznanih je več pristopov k pospešenem testiranju, ki jih je pomembno razlikovati, ker vsak od njih zahteva posebne tehnike in specifično opremo. Efektivnost teh pristopov temelji na kompleksnosti izdelkov in zahtevnosti obratovalnih razmer [2]. V praksi so poznani trije osnovni pristopi pospešenega testiranja, in sicer testiranje z intenzivnejšo uporabo, testiranje v laboratorijih na osnovi fizikalnih simulacij ter testiranje v laboratorijih na osnovi računalniških simulacij [2]. 2.3.1 Testiranje izdelka na prostem z intenzivnejšo uporabo Pri tem pristopu gre za intenzivnejšo uporabo testiranega izdelka, kot bi ga sicer uporabljali pri normalni rabi. Praktičen primer je avtomobil, ki dnevno običajno ni v uporabi več kot 5 ur. Če avto obratuje 20 ur dnevno, gre za daljše intervale uporabe in posledično so rezultati testiranj hitreje znani v primerjavi z običajno uporabo. Takemu pristopu pravijo tudi ART (angl. Accelerated Reliability Testing) oz. pospešeno testiranje na zanesljivost [2]. Omenjeni pristop ne zagotavlja potrebnih informacij za natančno predvidevanje in določevanje zanesljivosti, obstojnosti ter stroškov v življenjski dobi testiranega izdelka, ker ne upošteva sledečih vplivov: • korozijske degradacije materialov skozi življenjsko dobo, • vplivov uporabnika, • drugih vplivov, ki se pojavijo skozi življenjsko dobo izdelka [6]. 2.3.2 Laboratorijsko testiranje izdelka na osnovi fizikalnih simulacij dejanske uporabe Izdelke testiramo s simuliranjem vplivov dejanske uporabe, za kar potrebujemo ustrezno opremo (vibracijske komore, testne podlage in drugo). Obremenitev izdelka je tako večja, kot bi bila pri normalni uporabi. Po navadi se ločene simulacije izvaja za vsak vpliv/parameter posebej. Natančnost takega testiranja temelji na natančnosti simulacij razmer dejanske uporabe, človeškega faktorja ter varnostnih razlogov. Razlika v dobljenih rezultatih omenjenega testiranja in dejanske uporabe je večja kot pri prvi metodi [2]. Znotraj tega pristopa se lahko poslužujemo treh osnovnih konceptnih metod, s katerimi opravimo potrebne teste. Te metode so pospešena uporaba, pospešeno obremenjevanje ter pospešeno obremenjevanje z intenzivnejšimi obremenitvenimi faktorji [2]. Pospešena uporaba (angl. Use-rate acceleration) Test pospešimo s krajšimi časi med delovnimi cikli. Veliko izdelkov je v uporabi le nekajkrat dnevno oz. ne obratujejo neprestano. Lastnost sledečega pristopa je v višji intenzivnosti uporabe, kjer zanemarimo čase med delovnimi cikli in čas, ko izdelek ni obremenjen, saj to ne vpliva na degradacijo izdelka oz. ne vodi do napak. Na ta način 16 Teoretične osnove in pregled literature izdelki akumulirajo večletno delovanje v krajšem času. Tako lahko napovemo življenjsko dobo izdelka v letih obratovanja ali v številu opravljenih ciklov [2]. Ta metoda ne upošteva vplivov korozijske degradacije in drugih okoljskih parametrov v času mirovanja izdelka, zato je pri napovedovanju zanesljivosti in obstojnosti izdelka to treba ustrezno upoštevati [6]. Dober primer je prav testiranje odmičnih spon. Tipično odmična spona opravi le nekaj ciklov odpiranja in zapiranja dnevno. Med testiranjem intenzivnost uporabe dvignemo na več tisoč ciklov dnevno (okvirno osem tisoč) in to izvajamo, dokler ne opravimo predvidenega ali zahtevanega števila ciklov. To zahteva svoj prostor in čas, pomembno pa je ohranjati konstantne pogoje (predvsem temperaturo) skozi celoten test. Pospešeno obremenjevanje (angl. Product stress acceleration) Testiranja pospešimo z dodatnimi obremenitvami, ki jih ločeno simuliramo na izdelkih. Na ta način zajamemo vse možne vplivne faktorje in simuliramo njihovo delovanje ter beležimo posledice na izdelkih. Simulacije so temelj uspešnega pospešenega testiranja z obremenjevanjem, ki ga večina podjetij uporablja v fazi razvoja in kasneje, v fazi proizvodnje izdelka [6]. Pospešeno obremenjevanje z intenzivnejšimi obremenitvenimi faktorji (angl. Acceleration through high-step stresses) Test zajema povečanje intenzivnosti obremenitvenih faktorjev, ki pospešujejo proces degradacije izdelka v primerjavi z normalno uporabo. Med te faktorje sodijo višja temperatura in hitrost, večja napetost, višja frekvenca, večji navor, višja koncentracija emisij in plinov in drugi. Omenjena metoda je relativno enostavna in zelo uporabna za enostavne izdelke [2]. Na sliki 19 je poenostavljeno prikazan potek testiranja po metodi obremenjevanja z intenzivnejšimi obremenitvenimi faktorji. Slika 19: Stopenjsko spreminjanje obremenitvenih faktorjev [2] 17 Teoretične osnove in pregled literature Metoda se navezuje na kar nekaj vrst pospešenega testiranja, med katere sodijo: • HALT oz. pospešeno testiranje na življenjsko dobo (angl. Highly Accelerated Life Testing), • AA oz. pospešeno staranje (angl. Accelerated Aging), • HASS oz. pospešeno obremenitveno testiranje (angl. Highly Accelerated Stress Screening). Omenjenim vrstam pospešenega testiranja ponekod pravijo tudi pospešeno testiranje na vzdržljivost ali ADT (angl. Accelerated Durability Testing). HALT je vrsta testiranja, ki uporablja metodo z intenzivnejšimi obremenitvenimi faktorji (angl. high step-stresses), kjer izdelke testiramo z variabilnimi obremenitvami, ki naraščajo ali padajo po določenem protokolu. Namen je ugotavljanje obremenitvenih mej in zmogljivosti izdelka ter odkrivanje njegovih slabosti in pomanjkljivosti. Metoda je uporabna pri razvijanju novih izdelkov, saj gre za porušitveno metodo, kjer prve prototipe testiramo do porušitve in ugotavljamo njihove meje zmogljivosti [9]. Primer konstrukcije za pospešeno testiranje je prikazan na sliki 20. Gre za napravo za pospešeno testiranje polimernih zobnikov. Uporabljena je metoda z intenzivnejšimi obremenitvenimi faktorji, kjer se na določen interval poveča vnesen navor oz. obremenitev na polimerni zobniški par [3]. Tak test izvajamo, ko želimo izvedeti, kakšna je zmogljivost polimernega zobniškega para in kje so meje še uporabnega. Na sliki 21 je viden graf poteka navora glede na opravljene cikle. Navor narašča enakomerno in po enako dolgih intervalih. Slika 20: Naprava za pospešeno testiranja polimernih zobnikov: a) shema, b) izdelana naprava [3] 18 Teoretične osnove in pregled literature Slika 21: Potek navora v odvisnosti od opravljenih ciklov [3] HASS je vrsta testiranja, ki je analogna vrsti HALT, le da se v tem primeru testira izdelke, ki že prihajajo iz serijske proizvodnje. Ta metoda ni porušitvena, rezultati testiranj podajajo le ustreznost ali neustreznost izdelkov. Meje zdržljivosti izdelka prevzema iz že opravljenih testov po vrsti HALT. Namen omenjenega testiranja je v odkrivanju napak in pomanjkljivosti v izdelku. S kombiniranjem več obremenitev se te pomanjkljivosti še hitreje pokažejo in odkrijejo [9]. AA je vrsta testiranja, kjer izdelke pospešeno testiramo in s tem simuliramo in predvidevamo dejanski potek staranja izdelka. Razviti so bili razni empirični modeli, ki so pokazali, da se proces staranja odvija po logaritemski funkciji, zato za to testiranje slišimo tudi ime logaritemsko staranje (angl. logarithmic aging). Namen testiranja je določitev faktorja staranja. Ti se spreminjajo glede na pogoje uporabe, zato se ga prvotno določi za pogoje normalne uporabe. S pomočjo faktorja staranja se preko enačb določi življenjska doba izdelka [7]. 2.3.3 Laboratorijsko testiranje izdelka z računalniškimi simulacijami dejanske uporabe Ta pristop uporablja računalniške simulacije ali analitične/statistične metode. Računalniške simulacije so postale nepogrešljiv pripomoček pri matematičnem modeliranju različnih naravnih sistemov tako v fiziki, kemiji, kot tudi v strojništvu [6]. Rezultati računalniških simulacij kažejo večjo razliko v zanesljivosti in obstojnosti v primerjavi z dvema predhodno omenjenima pristopoma. Vzrok za take razlike je v simuliranem izdelku in v vplivih uporabe, saj je računalniški model izdelka drugačen od dejanskega in tudi računalniško simulirani vplivi niso točno taki kot dejanski [6]. Ta pristop je še v zgodnji fazi razvoja. Trenutno je težava natančno računalniško simulirati testirani izdelek in dejanske razmere uporabe. Prednosti virtualnih simulacij pa sta krajši čas in minimalen strošek [2]. 19 Teoretične osnove in pregled literature 2.3.4 Splošno o metodah ART in ADT Dejstvo je, da igrajo metode ART/ADT pomembno vlogo pri razvoju in izdelavi novih produktov. Proces natančnega napovedovanja kakovosti in zanesljivosti izdelkov v času garancijske ali celotne življenjske dobe sestoji iz štirih glavnih korakov. Njihov potek je predstavljen na sliki 22. Slika 22: Osnovni koraki metod ART/ADT [6] Proces napovedovanja je natančen le takrat, ko je natančno izvedena simulacija realnih pogojev in ko je ART/ADT sploh mogoče izpeljati. Simulacija je prvi zelo pomemben korak procesa napovedovanja. Na sliki 23 je prikazan obseg laboratorijskega testiranja. Pri simuliranju izdelka je treba zajeti vse vplive dejanske uporabe, saj so ti med seboj povezani in vplivajo en na drugega. Če se izvajajo ločene simulacije za posamezen vpliv, ne dobimo popolnih povratnih informacij o delovanju izdelka, kar pomeni, da taki rezultati niso točni pokazatelj kakovosti in zanesljivosti. Za uspešno napovedovanje kakovosti in zanesljivosti potrebujemo: • metode za zajemanje in kombiniranje vseh aktivnih vplivov, • natančne povratne informacije s testov ART/ADT [6]. 20 Teoretične osnove in pregled literature Slika 23: Shema ART/ADT Potencialne prednosti uporabe metod ART/ADT: • potreben je krajši čas za vstop novih izdelkov na trg, • izdelki na trgu so bolj konkurenčni, • zmanjševanje stroškov razvoja in optimiranja izdelka, • zagotavljanje natančne napovedi zanesljivosti in kakovosti v času garancijske dobe, • zagotavljanje natančne napovedi vzdrževanja izdelka v danem obdobju, • odkrivanje komponent, ki zmanjšujejo kakovost in zanesljivost izdelka, • iskanje hitrih rešitev tudi drugim težav, ki se navezujejo na izdelek, • zmanjševanje števila reklamacij [6]. Preden se lotimo testiranja izdelkov s simulacijami, moramo definirati, katere vrste vplivov bomo testirali v laboratorijih in kaj je njihov namen. Treba je razumeti, kako se testirani izdelek odzove na različne vplive med praktičnim obratovanjem in med mirovanjem. Ti vplivi so lahko temperatura, vlaga, onesnaženje, zračni tlak, napetost in drugi. So vhodni parametri v sistem. Posledica njihovega delovanja so izhodni parametri, kot so vibracije, obremenitve in udarci. Izhodni parametri vodijo do degradacije izdelka (deformacije, razpoke, korozije, pregrevanje itd.) in do napak oz. do odpovedi obratovanja izdelka. Testiranje na osnovi fizikalnih simulacij lahko označimo za natančno, ko se izhodni parametri, dobljeni v laboratoriju, ne razlikujejo od tistih, dobljenih na terenu, za več, kot je predpisana dovoljena divergenca [6]. 21 Teoretične osnove in pregled literature 22 3 Metodologija raziskave 3.1 Koncipiranje naprave Pri snovanju naprave za hitro testiranje odmičnih spon smo sledili korakom konstrukcijskega procesa. Začeli smo s specifikacijo konstrukcije, ki velja za osnovo pri razvoju kakršnega koli izdelka. V njej smo zajeli vse zahteve, ki jih mora naprava izpolnjevati. Glavno funkcijo naprave smo v nadaljevanju predstavili v abstraktni obliki, v kateri smo definirali vhodne in izhodne veličine. Glede na zahteve smo oblikovali razširjeno funkcijsko strukturo, kjer smo glavno funkcijo razdelili na delne funkcije. Pri iskanju rešitev za delne funkcije smo si pomagali z morfološko matriko, v kateri smo v obliki tabele za vsako delno funkcijo predstavili možne delovne principe. Iz morfološke matrike smo oblikovali tri koncepte, ki smo jih nato ovrednotili. To smo storili po kriterijih, ki smo jih določili sami, dodatno pa smo kriterijem dodali utežne faktorje, s katerimi smo poudarili bolj pomembne in manj pomembne kriterije. Koncept, ki je zbral največ točk, smo izbrali za detajlno zasnovo in razvoj. 3.2 Modeliranje naprave Izbrani koncept smo po skicah začeli na grobo modelirati v programskem okolju SolidWorks. Najprej smo zasnovali nosilno konstrukcijo, torej nosilni okvir in nosilce za elemente pogona in krmiljenja. Nato smo definirali položaj nepremičnih in vpenjalnih plošč za odmične spone. Temu smo prilagodili mesto in višino pritrditve elektromotorja ter koluta. Dodali smo še varnostno kletko iz tankih pohištvenih profilov ter okoli nje pritrdili prozorne plošče PMMA. Namen slednjega je preprečevanje poseganja v napravo med delovanjem. 23 Metodologija raziskave 3.3 Preračuni Izračun potrebne moči elektromotorja Potrebno moč elektromotorja smo določili glede na moment, ki je potreben za odpiranje in zapiranje kompleta (6) odmičnih spon. Zraven smo prišteli še moment, ki je potreben za zagon in rotacijo koluta. Uporabili smo enačbo, ki jo predpisuje proizvajalec v svojem katalogu. Ker je predviden takt naprave 1 Hz, je poleg elektromotorja zraven še polžni reduktor. Statična trdnostna kontrola na kritičnem mestu Poiskali smo potencialna kritična mesta in na njih izvedli statično trdnostno kontrolo. Preverili smo poves na obravnavanem mestu ter preverili, ali napetosti v profilih ne presežejo dopustnih. V primeru naprave za testiranje odmičnih spon ni pričakovati dinamičnih obremenitev, zato teh tudi nismo upoštevali. Kontrola zvarnega spoja na kritičnem mestu Preverili smo, ali zvarni spoj na kritičnem mestu prenese obremenitve in če napetosti v zvaru ne presežejo dopustnih. Najprej smo glede na minimalno debelino sten profilov definirali maksimalno debelino zvara. Glede na določeno debelino zvara, smo preverili njegovo nosilnost in obremenjenost. Obravnavali smo statično nosilnost, saj dinamičnih obremenitev ni pričakovati. Sistem merjenja in beleženja sile zapiranja Glede na to, da smo za regulacijo vrtljajev elektromotorja uporabili frekvenčni regulator, ki omogoča zajemanje parametrov (električni tok in napetost) na določen časovni interval, smo se odločili, da bomo trenutno silo zapiranja določevali iz omenjenih zajetih parametrov. Iz zajetih parametrov in z uporabo ustrezne enačbe smo določili moment, ki je potreben za pogon bremena. Temu smo odšteli vrednost momenta, potrebnega za gibanje vpenjalne plošče, ostanek pa je predstavljal moment zapiranja kompleta odmičnih spon. Izračunani moment smo preračunali v silo zapiranja. Kot odpiranja odmične spone smo določili glede na hitrost in zasuk koluta. Zajete vrednosti se bodo med delovanjem beležile in shranjevale v dokument CSV, ki ga bomo po opravljenem testiranju uvozili v določeno programsko okolje in analizirali rezultate. 24 4 Razvoj naprave 4.1 Specifikacija konstrukcije Specifikacija konstrukcije je dokument, ki mora vsebovati natančne zahteve o želenih funkcijah, ki jih naloga mora izpolniti, in vse podatke o razpoložljivih in dosegljivih vhodnih veličinah [4]. V preglednici 4.1 smo definirali vse zahteve in pogoje, ki jih obravnavana naprava mora upoštevati. Preglednica 4.1: Specifikacija konstrukcije Splošna zahteva Geometrijske veličine Energija Montaža Varnost Obratovalni pogoji Vgradni prostor Stroški Roki 25 Opis Gabaritne mere naprave morajo biti znotraj območja 1000 × 1000 milimetrov ter po višini ne sme presegati 2000 milimetrov. Pogon naprave je možen preko električne energije ali preko pnevmatske energije. Montaža naprave se izvede na mestu obratovanja. Med delovanjem morajo biti gibljivi deli primerno zavarovani tako, da jih ni mogoče doseči z roko. V primeru poseganja v stroj, se mora ta avtomatsko ustaviti. Zagotovljeno mora biti ločeno delovanje dveh testnih enot, na katerih se hkrati testira šest odmičnih spon. Omogočena mora biti regulacija obratovanja v ciklih na minuto ter nastavitve končnega števila ciklov. Med delovanjem naj bo naprava v prostoru s konstantno temperaturo. Naprava naj bo postavljena v prostor tako, da je do nje možno dostopati z vseh strani. Ob straneh naj bo dovolj prostora za odpiranje vrat. Maksimalni dovoljeni stroški projekta so 5000 €. Rok izdelave naprave je 1. 9. 2018. Razvoj naprave 4.2 Funkcijska struktura Če vhodne in izhodne veličine naloge razvrstimo na energetske, materialne in signalne veličine, govorimo o abstrahiranju problema. Tako so v nalogi vsebovane vse možne rešitve, tudi tiste, ki jih mogoče še ne poznamo. Kako se pretvarjajo vhodne veličine v izhodne, v tej predstavitvi ni pomembno. Za abstraktno predstavitev problema se v literaturi uporablja izraz ''Black-Box'' – črna skrinjica [4]. Na sliki 24 je prikazana abstraktna predstavitev problema testiranja odmičnih spon. Slika 24: Abstraktna predstavitev problema testiranja odmični spon Namen funkcijske strukture je razčleniti glavno funkcijo na enostavnejše delne funkcije ter tako oblikovati nalogo bolj pregledno. Na sliki 25 je prikazana razširjena funkcijska struktura problema testiranja odmičnih spon. Označeni so tudi trije glavni tokovi, in sicer materialni – M (odmične spone), energijski – E (potrebna energija za pogon) ter informacijski – I (signali, s katerimi upravljamo z napravo). Slika 25: Razširjena funkcijska struktura 26 Razvoj naprave 4.3 Morfološka matrika Za delne funkcije, definirane v funkcijski strukturi, je treba poiskati ustrezne rešitve oz. delovne principe. To storimo s pomočjo morfološke matrike, pri kateri v obliki preglednice prikažemo delne funkcije in predstavimo njihove rešitve. V preglednici 4.2 smo za vsako delno funkcijo poiskali nekaj delovnih principov. Glede na morfološko matriko smo posamezne delovne principe povezovali v koncepte. Preglednica 4.2: Morfološka matrika naprave za testiranje odmičnih spon 27 Razvoj naprave 4.4 Koncept 1 Po izboru posameznih delovnih principov smo prišli do prvega koncepta, ki je zapisan v enačbi (4.1). 𝑅1 = 𝐴2 + 𝐵3 + 𝐶3 + 𝐷1 + 𝐸1 + 𝐹3 + 𝐺1. (4.1) Pri konceptu, ki je prikazan na sliki 26, gre za napravo, kjer je za odpiranje in zapiranje kompleta odmičnih spon uporabljen pnevmatski valj. Ta je vrtljivo vpet na vzvodno palico na eni strani ter ravno tako vrtljivo vpet na ogrodje na drugi strani. Vzvodna palica je na strani valja krajša, na strani vpenjalne plošče za odmične spone pa daljša. Na ta način dosežemo večje kote odpiranja vpenjalne plošče pri krajšem hodu valja. Med vpenjalno ploščo in vzvodno palico je pritrjena še vodilna letev, ki poskrbi za delno fleksibilnost sistema. Nepremična plošča s podlogami je privita v ogrodje. Samo ogrodje naprave je v obliki mize s štirimi pokončnimi profili. Vse komponente so postavljene in pritrjene znotraj ogrodja, kar pomeni, da je tudi težišče naprave znotraj ogrodja in je s tem naprava dovolj stabilna in toga. Pred delovanjem vpenjalno ploščo z odmičnimi sponami pritrdimo na nepremično ploščo s podlogami, povežemo vodilno letev in vzvodno palico ter zaženemo napravo. Hitrost delovanja in kot odpiranja se nastavlja preko proporcionalnih pnevmatskih ventilov in krmilnika. Slika 26: Model koncepta 1 28 Razvoj naprave 4.5 Koncept 2 Drugi koncept, ki smo ga oblikovali, je zapisan v enačbi (4.2). 𝑅2 = 𝐴1 + 𝐵1 + 𝐶3 + 𝐷1 + 𝐸2 + 𝐹1 + 𝐺2 (4.2) Gre za električno napravo, ki za pogon uporablja elektromotor z reduktorjem. Na izhodni gredi reduktorja je pritrjen kolut z ekscentrično postavljenimi izvrtinami. V te izvrtine je vpeta vzvodna palica, ki potiska in vleče vpenjalno ploščo s sponami. Različne kote odpiranja dosežemo z različno razdaljo ekscentrične izvrtine od osi izhodne gredi reduktorja. Fiksiranje plošče s podlogami je izvedeno s čeljustmi tako, da s privijanjem vijakov čeljust pritiska na ploščo. Po končanem ciklu se vijake v čeljustih odvije in ploščo potegne iz naprave. Izbrani so asinhronski trifazni motorji relativno majhnih moči. Krmiljenje hitrosti delovanja naprave se izvaja preko krmilnika in frekvenčnega regulatorja, ki s spreminjanjem frekvence motorju spreminja tudi njegove vrtljaje. Pred delovanjem se vpenjalna plošča z odmičnimi sponami pritrdi na nepremično ploščo, poveže se vzvodno palico, nastavi se želeno hitrost delovanja ter končno število ciklov in zažene napravo. Štetje opravljenih ciklov se izvaja preko zaznavanja prisotnosti z induktivnim senzorjem, ki je postavljen nad vpenjalno ploščo. Med delovanjem so gibljivi deli ograjeni in zaščiteni s steklom PMMA, kar preprečuje posege z roko v samo napravo. Merjenje sile zapiranja je izvedeno z odčitavanjem napetosti in toka iz frekvenčnega regulatorja, ki nam definira obremenjenost motorja. Slika 27 prikazuje model omenjenega koncepta. Slika 27: Model koncepta 2 29 Razvoj naprave 4.6 Koncept 3 Oblikovali smo še tretji koncept, ki je zapisan v enačbi (4.3). 𝑅3 = 𝐴1 + 𝐵2 + 𝐶3 + 𝐷2 + 𝐸2 + 𝐹1 + 𝐺4 (4.3) Tretji koncept je oblikovan tako, da ima dva osrednja pokončna nosilca, na katerih so pritrjene čeljusti za fiksiranje plošče s podlogami. Osnovno ogrodje je iz jeklenih pohištvenih profilov, med tem ko sta osrednja nosilca iz ekstrudiranih aluminijastih profilov. Aluminijasti profili imajo večjo možnost nastavljanja višine in prilagajanja položaja elementov po željah uporabnika. Za pogon mehanizma sta uporabljena servomotorja, ki služita tudi za merjenje potrebnega navora oz. sile zapiranja kompleta spon. Različne kote odpiranja dosežemo z različno oddaljenimi izvrtinami od osi gredi na rotirajoči plošči. Pred zagonom naprave se določi želeno hitrost vrtenja oz. število ciklov na časovno enoto ter končno število obremenitev. Štetje obremenitev se izvaja preko senzorja za zaznavanje prisotnosti. V tem primeru gre za optični senzor, ki se vklopi, ko je v bližini predmeta. Meritve sil zapiranja odmičnih spon se izvajajo preko servomotorja. Ta nam omogoča odčitavanje točne potrebne sile glede na kot odprtja/zaprtja odmične spone. Slika 28 prikazuje model omenjenega koncepta. Slika 28: Model koncepta 3 30 Razvoj naprave 4.7 Vrednotenje konceptov Vrednotenje in ocenjevanje konceptov je pomemben korak pri razvijanju izdelkov in naprav. Ocenjevanje se lahko izvede povsem intuitivno, torej po presoji ocenjevalca, ali pa izberemo eno od tehnik ocenjevanja in to izvede skupina ljudi [4]. Izbrali smo 5-mestno ocenjevalno lestvico (0–4) ter koncepte ocenjevali po kriterijih, ki smo jih določili sami. V preglednici 4.3 so definirani kriteriji, po katerih smo ocenjevali posamezne koncepte. Preglednica 4.3: Ocenjevanje konceptov Kriterij i Obratovanje Tiho delovanje Kompleksnost delovanja Regulacija hitrosti delovanja Doseganje potrebnega kota odpiranja Upravljanje z napravo Namestitev Potreben namestitveni prostor Dostopnost do odmičnih spon Stabilnost ogrodja Vzdrževanje Intervali vzdrževanja komponent Intervali menjave komponent Obraba gibljivih delov Zaloga rezervnih delov Stroški Stroški naprave Stroški montaže Stroški vzdrževanja Vrednost Gi Vrednost Ggi Faktor težkanja gi Koncept 1 wi1 gi * wi1 Ocena Koncept 2 wi2 gi * wi2 Koncept 3 wi3 gi * wi3 1 2 2 4 4 4 4 2 1 2 3 6 3 6 4 3 12 4 16 4 16 2 3 6 3 6 3 6 1 2 2 3 3 4 4 1 3 3 3 3 3 3 2 3 6 2 4 2 4 1 3 3 3 3 3 3 2 2 4 3 6 3 6 2 3 6 3 6 3 6 1 2 2 3 3 3 3 1 2 3 3 2 2 3 1 4 3 12 3 3 2 9 2 1 2 3 2 1 2 2 3 3 2 2 2 38 45 67 42 77 70 31 Razvoj naprave Kriterijem smo dodelili faktorje težkanja gi tako, da imajo pomembnejši in ključni kriteriji večji prispevek pri končnem rezultatu. Uteži smo upoštevali tako, da smo posamezno vrednost kriterija wij pomnožili s faktorjem težkanja gi. Po vrednotenju smo ugotovili, da zahtevam najbolj ustreza drugi koncept, saj predstavlja zanesljivo in dolgotrajno delovanje ter po drugi strani relativno nizke nabavne in obratovalne stroške. 4.8 Zasnova naprave Hrbtenico naprave predstavlja ogrodje, ki je toga varjena konstrukcija, sestavljena iz pohištvenih jeklenih profilov. Pri testnih napravah je pomembno, da delujejo togo in ne dovoljujejo niti najmanjše fleksibilnosti, saj to vse vpliva na potek testiranja in na zanesljivost izdelkov, v tem primeru odmičnih spon. Zato smo za nosilni okvir naprave izbrali veliko večje pohištvene profile (80 × 80 × 5 mm), kot bi jih lahko sicer. Za nosilec motorjev smo oblikovali t. i. T-profil tako, da se osrednji del privari na pokončni steber. Ker na omenjeni nosilec ne bo delovala nobena večja statična in dinamična obremenitev, smo izbrali manjše jeklene profile (45 × 45 × 3 mm). Na sliki 29 je prikazan nosilni okvir naprave. Pohištveni profil 80 × 80 × 5 mm Pohištveni profil 45 × 45 × 3 mm Slika 29: Nosilni okvir naprave Na osrednji steber so privarjeni nosilca za vpenjanje nepremične plošče, varnostna kletka ter nosilec električne omarice. Tako zavarjena konstrukcija deluje zelo togo in ne dovoljuje kakršnih koli podajanj ali premikov, kot bi to lahko pričakovali pri vijačnih spojih. 32 Razvoj naprave Preračun potrebne moči elektromotorja Enačbo (4.4) za izračun potrebne moči elektromotorja smo odčitali iz kataloga s strani proizvajalca [8]: 𝑃𝑟1 = 𝑀𝑟2 ∗ 𝑛2 , 9550 ∗ 𝜂𝑑 (4.4) kjer 𝑃𝑟1 predstavlja potrebno moč motorja, 𝑀𝑟2 moment, ki ga ustvarja gnani sistem, 𝑛2 izhodni vrtljaji polžnega reduktorja ter 𝜂𝑑 dinamični izkoristek elektromotorja. Pri momentu 𝑀𝑟2 smo upoštevali potreben moment za odpiranje odmičnih spon ter moment pospeševanja koluta z ekscentričnimi izvrtinami. Pri standardnem testiranju se meritev sile zapiranja odmične spone izvaja 100 mm od konca standardnih vrat (slika 14). Po opravljenih meritvah (preglednica 2.4) pred standardnim testiranjem se je vrednost sile zapiranja gibala v območju med 2,5 in 3 N za dvojico spon. Na sliki 30 je na modelu prikazana točka standardne meritve sile zapiranja ter os rotacije spone. Os rotacije Mesto meritve sile zapiranja po standardu Slika 30: Določitev momenta zapiranja odmične spone Moment zapiranja dvojice spon smo izračunali po enačbi (4.5). 𝑀𝑧𝑎𝑝,2 = 𝑟 ∗ 𝐹𝑧𝑎𝑝,2 , (4.5) kjer 𝑟 predstavlja razdaljo med mestom meritve sile zapiranja in osjo rotacije odmične spone ter 𝐹𝑧𝑎𝑝,2 silo zapiranja dvojice spon. 𝑀𝑧𝑎𝑝,2 = 493,21 mm ∗ 3 N = 1479,6 Nmm Za šest odmičnih spon moment zapiranja znaša: 𝑀𝑧𝑎𝑝,6 = 3 ∗ 𝑀𝑧𝑎𝑝,2 = 3 ∗ 1479,6 Nmm = 4438,8 Nmm. (4.6) 33 Razvoj naprave Dodaten moment povzroča pospeševanje koluta z ekscentričnimi izvrtinami (slika 31). Ta je gnan preko gredi iz polžnega reduktorja. Prispevki ostalih elementov so zanemarljivo majhni. Moment pospeševanja izračunamo po enačbi (4.7). Slika 31: Kolut z ekscentričnimi izvrtinami glede na os rotacije 𝑀𝑝𝑜𝑠𝑝 = 𝐽∗𝜔 𝑡𝑝𝑜𝑠𝑝 (4.7) 𝐽 predstavlja masni vztrajnostni moment okoli osi rotacije, 𝜔 končno kotno hitrost delovanja ter 𝑡𝑝𝑜𝑠𝑝 čas pospeševanja do končne hitrosti. Masni vztrajnostni moment koluta izračunamo po enačbi (4.8). Izbrani material za kolut je C60. Maso smo odčitali iz programa SolidWorks in znaša 5 kg. 𝐽= 1 1 ∗ 𝑚 ∗ 𝑅 2 = ∗ 5 kg ∗ (0,1 m)2 = 0,025 kgm2 2 2 (4.8) Končno vrtilno hitrost smo omejili na 130 min-1 – pretvorjeno v kotno hitrost to znaša 13,5 s-1. V izračunu momenta pospeševanja in pri potrebni moči elektromotorja smo upoštevali prav to maksimalno dogovorjeno vrednost. Čas pospeševanja elektromotorja 𝑡𝑝𝑜𝑠𝑝 znaša 0,5 sekunde. 𝑀𝑝𝑜𝑠𝑝 = 0,025 ∗ 13,5 = 0,675 Nm 0,5 Skupen potreben moment za pogon torej znaša: 𝑀𝑟2 = 𝑀𝑧𝑎𝑝,6 + 𝑀𝑝𝑜𝑠𝑝 = 4,438 Nm + 0,675 Nm = 5,113 Nm. Iz tega sledi, da je potrebna moč motorja: 5,113 𝑁𝑚 ∗ 129 min−1 𝑃𝑟1 = = 0,0813 kW. 9550 ∗ 0,85 34 (4.9) Razvoj naprave Iz kataloga polžnih reduktorjev proizvajalca Bonfiglioli [8] smo izbrali elektromotor, ki se najbolje približa izbranim parametrom. Izbrali smo 4-polni asinhronski trifazni elektromotor z močjo 180 W ter polžni reduktor s prestavnim razmerjem 𝑖 = 14, ki nam reducira vrtljaje elektromotorja iz 1400 min-1 na 100 min-1. Izbran reduktor ima na eni izhodni strani prirobnico (slika 32), ki je namenjena lažjemu pritrjevanju elektromotorja na ogrodje. Na T-nosilcu sta privarjeni prirobnici, na vrh katerih se privijeta prirobnici polžnega reduktorja. Prirobnica na T-nosilcu Prirobnica polžnega reduktorja Slika 32: Pritrditev elektromotorja s polžnim reduktorjem Predstavitev glavnih delov naprave Gred je tako s polžnim reduktorjem kot tudi s kolutom povezana preko oblikovne zveze z moznikom. Gredi smo preprečili aksialne pomike tako, da smo na drugi izhodni strani reduktorja nanjo privili pušo z večjim premerom. Kolut je proti aksialnim pomikov na vrhu varovan z matico. Povezavo med vpenjalno ploščo in kolutom tvori vzvodna palica. Na strani koluta je v vzvodno palico vstavljena puša, ki služi za gladko delovanje in manjši koeficient trenja ter poskrbi za določeno distanco med kolutom in vzvodno palico. Vzvodna palica je na drugi strani vstavljena v vpenjalno uho, ki je privito v vpenjalno ploščo. Na obeh straneh se za povezovalni element uporablja centrirno iglo. Vsi elementi so prikazani na sliki 33. 35 Razvoj naprave Vpenjalna plošča Vzvodna palica Centrirna igla Vpenjalno uho Centrirna puša Kolut Centrirna puša Gred Puša proti aksialnim pomikom Slika 33: Sestav mehanizma za odpiranje/zapiranje kompleta odmičnih spon Zahteva je, da mora naprava omogočati testiranje različnih kategorij spon, ki se odpirajo na različne končne kote. To smo dosegli s spreminjanjem geometrije vpenjalnih ušes, dolžine vzvodne palice ter razdalje izvrtine od osi rotacije koluta. Iz varnostnih razlogov je zahteva, da mora biti poseganje v napravo med delovanjem onemogočeno in zavarovano. Temu primerno smo oblikovali enostavno varnostno kletko iz pohištvenih profilov okoli gibljivih delov (slika 34). Na profile varnostne kletke so pritrjene plošče iz stekla PMMA (pleksi). Na sprednjem delu so plošče odstranljive oz. so povezane v vrata tako, da jih lahko odpremo in umaknemo na stran. Nepremične plošče so privite v pohištvene profile, med tem ko so premične plošče na profile pritrjene preko magnetnih zapiral, ki zagotavljajo zadostno silo, da se vrata sama od sebe ne odprejo. Dodaten varnostni sistem predstavljajo varnostna stikala in aktuatorji, ki služijo takojšnji zaustavitvi obratovanja v primeru odpiranja vrat. 36 Razvoj naprave Varnostna kletka Magnetno zapiralo Varnostno stikalo z aktuatorjem Slika 34: Varnostna kletka s ploščami PMMA Za štetje ciklov je potreben določen element, ki bo zaznal, kdaj bo naprava opravila en cikel odpiranja in zapiranja. Odločili smo se za sistem zaznavanja prisotnosti ter izbrali induktivni senzor (slika 35). Ta se aktivira, ko v bližini zazna jekleni predmet. S temi signali smo preko funkcije za štetje v krmilniku določili število ciklov med obratovanjem. Senzor je postavljen nad vpenjalno ploščo, ko je ta v začetnem položaju (spone so zaprte). Slika 35: Postavitev induktivnega senzorja 37 Razvoj naprave Statična trdnostna kontrola T-nosilca Najbolj kritičen del naprave je spoj T-nosilca na nosilni okvir. Ta prenaša težo obeh elektromotorjev, gredi ter kolutov. T-nosilec lahko predstavimo kot konzolo (slika 36), ki je na eni strani nepremično vpeta. Velikost profila smo vnaprej izbrali glede na velikost prirobnic za pritrjevanje elektromotorja. Slika 36: Konzolno vpet T-nosilec Skupna obremenitev G, ki deluje na vsaki strani T-nosilca, sestoji iz teže elektromotorja in reduktorja ter teže koluta. Ostali elementi imajo majhen prispevek k obremenitvi. Skupno obremenitev določimo po enačbi (4.10). 𝐺 = 𝐺𝑚𝑜𝑡,𝑟𝑒𝑑 + 𝐺𝑘𝑜𝑙𝑢𝑡 + 𝐺𝑜𝑠𝑡𝑎𝑙𝑜 = (5 kg + 5 kg + 2kg ) ∗ 9,81 = 117,72 N (4.10) Poves, ki se pojavi na koncu T-nosilca, smo izračunali po enačbi (4.11): 𝑓= 𝐺 ∗ 𝑙3 , 3∗𝐸∗𝐼 (4.11) kjer smo obremenitev G izračunali v enačbi (4.10), 𝑙 predstavlja dolžino nosilca, 𝐸 modul elastičnosti, ki za splošno konstrukcijsko jeklo znaša 210 GPa, ter 𝐼 vztrajnostni moment prereza, ki za izbrani profil znaša 13,78 cm4. 2 ∗ 117,72 ∗ 1333 𝑓= = 0,0064 mm 3 ∗ 210 ∗ 103 ∗ 13,78 ∗ 104 Izračunan poves potrjuje, da gre za zelo tog in predimenzioniran nosilec, čeprav je v tem primeru to tudi potrebno. Največji notranji moment se pojavi na mestu spoja nosilcev, torej na mestu zvarov. Izračunamo ga po enačbi (4.12). 𝑀𝑚𝑎𝑥 = 𝐺 ∗ 𝑙 = 2 ∗ 117,72 ∗ 133 = 31 313,52 Nmm 38 (4.12) Razvoj naprave Sedaj lahko po enačbi (4.13) izračunamo upogibno napetost na mestu maksimalnega momenta. V enačbi 4.13 parameter 𝑒𝑚𝑎𝑥 predstavlja skrajno zgornjo točko profila. Ostale komponente napetostnega tenzorja so zanemarljivo majhne in jih zato ne bomo računali in upoštevali. Posledično je izračunana upogibna napetost enaka primerjalni napetosti. 𝜎𝑢,𝑚𝑎𝑥 = 𝜎𝑝𝑟 = 𝑀𝑦,𝑚𝑎𝑥 31 313,52 Nmm ∗ 𝑒𝑚𝑎𝑥 = ∗ 22,5 mm = 5,11 MPa 𝐼𝑦 13,78 ∗ 104 mm4 (4.13) Dopustna normalna napetost za izbrano splošno konstrukcijsko jeklo 𝜎𝑑𝑜𝑝,𝑜𝑚 je za varnostni faktor zmanjšana vrednost meje tečenja (enačba (4.14)). 𝜎𝑑𝑜𝑝,𝑜𝑚 = 𝑅𝑒𝐻 235 = = 156 MPa 𝜈 1,5 (4.14) Primerjalna napetost je razumljivo manjša od dopustne, kar pomeni, da nosilec deluje v varnem območju. 𝜎𝑝𝑟 ≤ 𝜎𝑑𝑜𝑝,𝑜𝑚 (4.15) 39 Razvoj naprave Kontrola zvarnega spoja na kritičnem mestu Za spoj T-nosilca in nosilnega okvirja smo izbrali kotne zvare. Debelina stene profila Tnosilca je manjša od debeline stene profila nosilnega okvirja in znaša 3 mm. Maksimalna debelina kotnega zvara je enaka debelini najtanjše stene, zato tudi debelina kotnega zvara znaša 3 mm. Ta je izveden po celotnem obsegu profila, kot je to prikazano na sliki 37. Slika 37: Zvarni spoj T-nosilca in nosilnega okvirja Pri analizi kotnega zvara smo upoštevali tiste napetosti, ki se pojavijo v osnovnem materialu. Razlika je le v dopustni napetosti kotnega zvara 𝜎𝑑𝑜𝑝,𝑧𝑣 , ki je za faktor α manjša od dopustne napetosti osnovnega materiala in jo določimo po enačbi (4.16). Faktor α za upogibno obremenjene zvare znaša 0,6. 𝜎𝑑𝑜𝑝,𝑧𝑣 = 𝛼 ∗ 𝜎𝑑𝑜𝑝,𝑜𝑚 = 0,6 ∗ 156 = 93 MPa (4.16) Glavna obremenitev zvarov je upogibna napetost 𝜎𝑢 , ki smo jo izračunali v enačbi (4.17). Pojavi se še tangencialna napetost 𝜏𝑥𝑧 , ki deluje v navpični smeri in je posledica delovanja teže elektromotorjev, kolutov in ostalih elementov. 𝜏𝑥𝑧 = 𝑇𝑧 2 ∗ 𝐴𝑧𝑣,𝑣 (4.17) 𝑇𝑧 predstavlja notranjo prečno silo v navpični smeri ter 𝐴𝑧𝑣,𝑣 površino vertikalnih zvarov. Notranja prečna sila je enaka teži vseh elementov, ki jih nosi T-nosilec. 𝑇𝑧 = 2 ∗ 𝐺 = 2 ∗ 117,72 = 235,4 N (4.18) 𝐴𝑧𝑣,𝑣 = 𝑎 ∗ 𝑙 = 3 ∗ 90 = 270 mm2 (4.19) Površino vertikalnih zvarov 𝐴𝑧𝑣,𝑣 izračunamo po enačbi (4.19). Za dolžino vertikalnih zvarov 𝑙 upoštevamo dve višini profila. Tangencialna napetost v vertikalnih zvarih zaradi delovanja teže elementov tako znaša: 40 Razvoj naprave 𝜏𝑥𝑧 = 235,4 2∗270 = 0,44 N. Obe napetosti združimo v primerjalno napetost. Uporabimo enačbo (4.20). 2 = √5,112 + 3 ∗ 0,442 = 5,16 MPa 𝜎𝑝𝑟 = √𝜎𝑢2 + 3 ∗ 𝜏𝑥𝑧 (4.20) 𝜎𝑝𝑟 ≤ 𝜎𝑑𝑜𝑝,𝑧𝑣 (4.21) Ugotovimo, da kotni zvari zdržijo dane obremenitve in niso na kritični meji. 41 Razvoj naprave 4.8.1 Stroškovna analiza V specifikaciji konstrukcije je bila podana zahteva o dopustnih stroških za celovito izdelavo naprave za testiranje odmičnih spon. Celoten proračun znaša 5000 € in ga nismo smeli prekoračiti. Ko smo natančno oblikovali in določili vse sklope naprave, smo izvedli še analizo stroškov. V njej smo zajeli vse standardne elemente, ki jih je bilo treba nabaviti, ter vse ostale elemente, ki jih je bilo treba izdelati. Montaža naprave ni bila šteta med stroške. Najprej smo izdelali stroškovno analizo standardnih elementov, ki je prikazana v preglednici 4.4. Podanim cenam ni prištet DDV. Preglednica 4.4: Stroškovna analiza standardnih elementov Komponenta Standardni elementi Elektro omarica 500 × 500 × 300 Glavno stikalo Varnostno stikalo Induktivni senzor M12 24VDC PNP Kabel s konektorjem Tipka Varnostno stikalo Aktuator za varnostno stikalo Varovalka Ostali elektromaterial Krmilnik SIMATIC S7-1200 Napajalnik SIMATIC S7-1200 Zaslon SIMATIC HMI, KTP400 Basic Kontaktni modul CSM 1277 Elektromotor BN63B4 B14 (Bonfiglioli) Reduktor elektromotorja VF 44 P63 B14 B3 (Bonfiglioli) Frekvenčni regulator SINAMICS G120 C Podporna noga Plastični tečaj Ročaj vrat Magnetno zapiralo Centrirne puše Vijaki, matice SKUPAJ brez DDV 42 Število kosov Nabavna cena [€/kos] Končna cena [€] 1 1 1 2 2 4 2 2 1 / 1 1 1 1 2 117 16 12 21 5 16 30 8 77 / 195 60 290 106 65 117 16 12 42 10 64 60 16 77 240 195 60 290 106 130 2 150 300 2 4 8 2 6 18 / 435 5 2 5 4 2 / 870 20 16 10 24 36 30 2740 Razvoj naprave Nadaljevali smo še s stroškovno analizo konstruiranih elementov, ki smo jih morali po naročilu izdelati. V preglednici 4.5 so predstavljeni vsi nestandardni elementi. Podanim cenam ni prištet DDV. Preglednica 4.5: Stroškovna analiza konstruiranih elementov Komponenta Konstruirani elementi Ogrodje Vpenjalna plošča Nepremična plošča Pritrdilna čeljust Rotacijski kolut Gred Plošča PMMA Vzvodna palica Vpenjalno uho Centrirna igla Puša za fiksiranje gredi Nosilec senzorja SKUPAJ brez DDV Število kosov Material + delo [€] 1 2 2 4 2 2 6 5 8 4 2 2 750 180 120 50 90 35 350 40 340 10 20 10 1995 S stroškovno analizo smo ugotovili, da smo po trenutnih ocenah na meji dovoljenega proračuna. Seveda pa so zapisane vrednosti v preglednici 4.5 zgolj ocena. Končni strošek bo predvsem odvisen od časa, ki bo potreben za izdelavo vseh nestandardnih elementov, saj je pri standardnih elementih cena točno določena in je ni mogoče prilagajati. Velik del stroška predstavlja ogrodje. Za slednjega je predvidenih veliko ur dela, saj je treba izrezati veliko pohištvenih profilov, izdelati izvrtine ter vse zavariti skupaj. Sam pogonski in krmilni del predstavlja četrtino celotnega stroška. Razlog za to je v izbiri kakovostnejših komponent, ki delujejo zanesljivo in dolgotrajno. 43 Razvoj naprave 4.8.2 Sistem merjenja in beleženja sile zapiranja Razlog za odločitev o izvajanju meritev sile zapiranja je bil predvsem v spremljanju učinkovitosti odmičnih spon. Tekom trajnostnega testa želimo spremljati, kako sila zapiranja izgublja svojo moč, ter ugotoviti, kdaj pride do prvih padcev (pri koliko ciklih) in kako hitro se ti padci vrstijo. Zamislili smo si, da bi meritve sile zapiranja kompleta odmičnih spon izvajali preko odčitavanja obremenitve elektromotorja. Ta za svoje delovanje potrebuje določeno količino električne napetosti in električnega toka. Ko na elektromotor priklopimo breme, se količina potrebne električne napetosti in toka poveča in ta porast lahko preračunamo v želeno količino, ki jo iščemo. Na sliki 38 so shematsko prikazani parametri, ki jih je treba upoštevati pri analiziranju meritev. Slika 38: Pretvorba parametrov pri merjenju sile zapiranja odmičnih spon Obratovanje elektromotorja uravnavamo s frekvenčnim regulatorjem. Ta z višanjem/spuščanjem frekvence povečuje/znižuje vrtljaje elektromotorja. Za napravo smo izbrali tak frekvenčni regulator, ki med obratovanjem omogoča zajemanje parametrov, kot sta električna napetost in električni tok. Slika 39: Shema povezav pri merjenju sile zapiranja odmičnih spon 44 Razvoj naprave Slika 39 opisuje potek povezav med elementi za merjenje sile zapiranja. Električna napetost in tok tečeta preko frekvenčnega regulatorja iz omrežja do elektromotorja. Frekvenčni regulator ima zmožnost zajemanja vrednosti trenutnega električnega toka, vendar zgolj na določen časovni interval, ki za izbrani frekvenčni regulator znaša 300 ms. Zajete vrednosti frekvenčni regulator pošilja preko digitalne komunikacije (profinet povezava) v krmilnik. Prednost omenjene povezave je v zelo kratkih odzivnih časih, kar pomeni, da lahko zajete vrednosti analiziramo in prikažemo v trenutku (real-time). V krmilniku se izvede določen algoritem, ki sprejete vrednosti električnega toka pretvori v želeno vrednost navora oz. momenta bremena. Povezavo med električnim tokom in momentom bremena opisuje enačba (4.22): 𝑀𝑏𝑟𝑒𝑚𝑒 = 𝐼𝑖𝑛 ∗ 𝑉𝑖𝑛 ∗ 𝜂𝑚𝑜𝑡 ∗ 𝜂𝑟𝑒𝑑 ∗ 60 , 𝑛∗2∗𝜋 (4.22) kjer sta 𝐼𝑖𝑛 in 𝑉𝑖𝑛 električni tok in napetost na vhodu v frekvenčni regulator, 𝜂𝑚𝑜𝑡 izkoristek elektromotorja, 𝜂𝑟𝑒𝑑 izkoristek polžnega reduktorja ter 𝑛 vrtljaji elektromotorja. Izkoristek elektromotorja 𝜂𝑚𝑜𝑡 se giblje med 10 in 15 %. To je odvisno od pogojev uporabe, zato smo za izvedbo izračuna po enačbi (4.22) uporabili 10-% izkoristek. Izkoristek polžnega reduktorja 𝜂𝑟𝑒𝑑 je podan v katalogu proizvajalca in znaša 81 %. Vstopna napetost 𝑉𝑖𝑛 se spreminja glede na frekvenco delovanja. Moment bremena, ki bi ga izračunali s pomočjo krmilnika, moramo razdeliti na moment, potreben za pogon ostalih elementov 𝑀𝑝𝑜𝑔 , ter moment, potreben za zapiranje in odpiranje odmičnih spon 𝑀𝑧𝑎𝑝,6 (enačba (4.23)). Iz enačbe (4.23) nas zanima moment zapiranja kompleta odmičnih spon 𝑀𝑧𝑎𝑝,6 . 𝑀𝑏𝑟𝑒𝑚𝑒 = 𝑀𝑧𝑎𝑝,6 + 𝑀𝑝𝑜𝑔 (4.23) 𝑀𝑝𝑜𝑔 = 𝐽𝑣𝑝 ∗ 𝛼𝑣𝑝 , (4.24) Pod moment, ki je potreben za pogon gibajočih elementov 𝑀𝑝𝑜𝑔 , bomo upoštevali le gibanje vpenjalne plošče. Ostale komponente (kolut ter vzvodna palica) se med delovanjem gibljejo s konstantno hitrostjo, kar ne vnaša nobenega bremenskega momenta. Vpliv teh komponent je upoštevan v izkoristku elektromotorja in reduktorja v enačbi (4.22). Moment, ki ga potrebuje vpenjalna plošča za spremembo smeri gibanja, izračunamo po enačbi (4.24): kjer 𝐽𝑣𝑝 predstavlja masni vztrajnostni moment vpenjalne plošče okoli rotacijske osi ter 𝛼𝑣𝑝 kotni pospešek plošče. Masni vztrajnostni moment vpenjalne plošče določimo po izpeljani enačbi (4.25): 1 𝐽𝑣𝑝 = ∗ 𝑚 ∗ 𝑏 2 , 3 (4.25) kjer je parameter 𝑏 širina vpenjalne plošče in znaša 80 mm. Masa vpenjalne plošče je 1,15 kg. Masni vztrajnostni moment vpenjalne plošče je torej: 45 Razvoj naprave 1 𝐽𝑣𝑝 = ∗ 1,15 ∗ 0,0802 = 0,00245 kgm2 . 3 Kotni pospešek 𝛼𝑣𝑝 izračunamo po enačbi (4.26). Za vrednost kotne hitrosti 𝜔 bomo upoštevali konstantno kotno hitrost koluta, ki po dogovoru znaša 2𝜋 𝑠 −1. Čas pospeševanja vpenjalne plošče bomo predpostavili na 0,1 s, glede na to da vpenjalna plošča v 0,5 sekunde opravi hod iz ene skrajne lege v drugo. 𝛼𝑣𝑝 = 𝜔 𝑡𝑝𝑜𝑠𝑝,𝑣𝑝 = 2∗𝜋 = 62,83 s −2 0,1 (4.26) Po enačbi (4.24) izračunamo bremenski moment. 𝑀𝑝𝑜𝑔 = 0,00245 ∗ 62,83 = 0,154 Nm Iz enačbe (4.23) izpostavimo moment zapiranja kompleta odmičnih spon 𝑀𝑧𝑎𝑝,6 . 𝑀𝑧𝑎𝑝,6 = 𝑀𝑏𝑟𝑒𝑚𝑒 − 𝑀𝑝𝑜𝑔 Iz momenta zapiranja lahko sedaj določimo silo zapiranja. Zanima nas sila na tistem mestu, kjer jo merimo pri standardnem testu, torej 100 mm od roba vrat (slika 14). Tako bomo lahko primerjali vrednosti meritev iz standardnega in hitrega testa. Uporabimo enačbo (4.27) in izračunamo silo zapiranja za dvojico odmičnih spon. Parameter 𝑟 smo definirali na sliki 30 in znaša 493,21 mm. 𝐹𝑧𝑎𝑝,2 = 𝑀𝑧𝑎𝑝,6 3∗𝑟 (4.27) Frekvenčni regulator ima nastavljen čas zajemanja vrednosti električnega toka na 300 ms. Med obratovanjem želimo vedeti, pri katerem kotu odprtja odmične spone se je zajem podatka zgodil. Ideja je, da kot določimo glede na zasuk koluta ter hitrost vrtenja. Za to potrebujemo referenčno mesto, na katerem bo zasuk koluta enak nič. Primeren element, ki ga imamo že vgrajenega, bi bil induktivni senzor prisotnosti. Ta je postavljen nad vpenjalno ploščo tako, da se vklopi, ko je kolut v eni skrajni legi – odmične spone so zaprte (slika 35). Signal induktivnega senzorja bi pomenil zasuk koluta na referenčno mesto. Enačba (4.28) določa zasuk koluta 𝛽 (glede na referenčno mesto) pri določenem času zajema 𝑡𝑧𝑎𝑗𝑒𝑚 . 𝛽 (𝑡𝑧𝑎𝑗𝑒𝑚 , 𝜔) = 𝜔 ∗ 𝑡𝑧𝑎𝑗𝑒𝑚 ∗ 180 𝜋 (4.28) Ker je naprava namenjena testiranju različnih kategorij odmičnih spon, moramo za vsako kategorijo izdelati povezavo med zasukom koluta 𝛽 in kotom odprtja odmičnih spon 𝛾. V preglednici 4.6 drugi in tretji stolpec predstavljata zasuke koluta, pri katerem se bo izvedlo vzorčenje (300 ms). Vrednosti v drugem stolpcu se nanašajo na kotno hitrost koluta 2Π s-1 oz. 1 Hz, med tem ko se vrednosti v tretjem stolpcu nanašajo na hitrost Π s-1 oz. 0,5 Hz. 46 Razvoj naprave Preglednica 4.6: Razmerja kotov zasuka koluta in odprtja odmične spone za različne kategorije Vsem trem kategorijam odmičnih spon smo določili maksimalni kot odpiranja 𝛾𝑚𝑎𝑥 med testiranjem, kar smo pri konstruiranju upoštevali in izpolnili. Ker poznamo območje odpiranja odmične spone, lahko izpeljemo razmerje med zasukom koluta 𝛽𝑖 in kotom odprtja odmične spone 𝛾. Odmična spona doseže maksimalni kot, ko se kolut zasuče za pol kroga. 𝛾= 𝛽𝑖 ∗ 𝛾𝑚𝑎𝑥 180 (4.29) S pomočjo preglednice 4.6 bomo lahko izrisali diagram sile zapiranja v odvisnosti od kota odprtja odmične spone. Zajemanje podatkov pri polovični hitrosti koluta od predvidene nam zagotovi enkrat več zajetih podatkov, s katerimi lahko izrišemo točnejši diagram. Celoten cikel enkratnega zajemanja podatkov (20 vrednosti) traja 6 sekund, kar pomeni, da kolut opravi tri polne kroge. 47 Razvoj naprave 4.9 FMEA konstrukcije Osnovna ideja metode FMEA ali analiza možnih napak in njihovih vzrokov (angl. Failure Mode and Effects Analysis) je preprečevanje napak še preden se te pojavijo. Zato se je smiselno posluževati te metode v času razvoja izdelka, saj se na ta način lahko izognemo velikim stroškom v času proizvodnje zaradi napak, ki jih nismo predvideli. S pomočjo te metode analiziramo, kako specifične spremembe na konstrukciji izdelka vplivajo na končno delovanje tega. FMEA konstrukcije uporabimo pri razvoju novega izdelka ali pri različnih izpeljankah že obstoječega izdelka. Za izvedbo je potrebna delovna skupina, v katero so vključeni odgovorni in kompetentni ljudje, ki se na izdelek spoznajo [10]. Za lažjo predstavo konstrukcije smo na sliki 40 izdelali funkcijsko strukturo s 3D-modeli. Ločeno smo prikazali posamezne komponente ter njihove povezave med seboj. Za boljšo preglednost smo zajeli le elemente pogona, ki so bistveni za delovanje naprave. V preglednici 4.7 smo izvedli metodo FMEA konstrukcije naprave za testiranje odmičnih spon. Definirali smo ključne napake, ki se lahko pojavijo na napravi ter predpostavili njihove posledice in vzroke za nastanek. K opisu posledic določene napake smo zraven dodali oceno resnosti R, torej bolj resne, kot so lahko posledice, višja je ocena. Vzrokom napak smo zraven dodali oceno pogostosti P, pri čemer višja ocena pomeni bolj pogosto ponovitev iste napake. Ocenili smo še sistem potrditve konstrukcije z oceno odkrivanja napake O, kjer višja ocena pomeni težje odkrivanje napake. Zmnožek treh ocen nam prikaže najbolj kritične potencialne napake, katerim je smiselno posvetiti največ časa za reševanje oz. iskanje rešitev. 48 Razvoj naprave Vpenjalna plošča Vzvodna palica Centrirna igla Centrirna igla Odmična spona Centrirna puša Centrirna puša Ogrodje Vpenjalno uho Kolut Podloga Elektromotor z reduktorjem Pritrdilna čeljust Nepremična plošča Gred Nosilec senzorja Induktivni senzor Slika 40: Funkcijska struktura 3D-modela naprave 49 Razvoj naprave 50 Razvoj naprave Preglednica 4.7: FMEA konstrukcije naprave za testiranje odmičnih spon Jezik ANALIZA MOŽNIH NAPAK IN UČINKOV 1 30. 6. 2018 Tine Černač Možna napaka Možni učinek (posledica) napake Funkcija Št. izdelka Podpis Ključ ni datu m Potencialni R C vzrok/mehani P zem napake Delovna skupina/Opombe, Vzrok Sistem potrditve konstrukcije O 2 Nepremična plošča Kolut Premalo privite pritrdilne čeljusti Vpetje vzvodne palice na napačno pozicijo na kolutu Zdrs nepremične plošče iz ležišča Zlom elementov odmične spone 7 8 Manjka oznaka na kolutu 2 Pri desetkratni ponovitvi cikla ne sme priti do 3 zdrsa nepremične plošče 4 Izdelati različne izvrtine na kolutu za 3 posamezne kategorije odmičnih spon 42 1 Ni zagotovljeneg a zadostnega trenja med nepremično ploščo in vpenjalnimi čeljustmi Uporaba vzmetnih podložk pod glavami vijakov Konstruktor 96 Zahteve Rezultat ukrepov Priporočeni R P O Odgovornost ukrepi Izveden in predviden i ukrepi rok Na kolutu označiti izvrtine s pripadajočo kategorijo odmičnih spon Konstruktor 7 1 3 8 1 3 21 Moderator RPO Datum FMEA št. FMEA koncepta RPO Revizija št. 1 = Slovenščina, 2 = English, 3 = Deutsch 24 Izdelek, proces FMEA razvoja Naprava za testiranje odmičnih Model/Leto/Vozilo spon 1 51 Razvoj naprave 52 8 Izguba funkcije Elektromotor z reduktorjem Visoka hitrost izvajanja ciklov Krajša življenjska doba odmičnih spon Induktivni senzor Obratovanje naprave se po opravljenem programu ne ustavi Izguba informacije o obstojnosti 6 odmičnih spon po opravljeni življenjski dobi Nihanje nosilca Krajša obstojnost odmičnih spon T-nosilec 5 3 Nastavljena previsoka hitrost obratovanja Previsoko vpetje senzorja, senzor ne deluje 3 3 Na nosilcu senzorja omogočiti višinsko regulacijo 2 Ni zadostne 2 togosti nosilca Izvesti trdnostno kontrolo nosilca 3 Konstruktor Konstruktor Uporabnik Konstruktor 6 5 6 3 1 3 1 2 1 2 3 1 3 24 1 18 Izbrati reduktor, ki ima že v 2 osnovi majhne vrtljaje na izhodu Vpeto napačno vpenjalno uho Vpenjalno uho Na vpenjalna ušesa označiti kategorijo odmične spone Pri vpisovanju želene hitrosti delovanja definirati dovoljeno območje Pred zagonom preveriti, ali senzor zaznava prisotnost vpenjalne plošče 8 10 Vpenjalna ušesa označiti s pripadajočo 3 kategorijo odmičnih spon Konstruktor 12 6 Ni podanih oznak,v katere 2 kategorije odmičnih spon spadajo 96 8 Vzvodne palice označiti s pripadajočo kategorijo odmičnih spon 9 6 Zlom elementov odmične spone 36 5 Vpeta napačna vzvodna palica 36 4 Vzvodna palica Izdelati različne izvrtine na vzvodni palici 3 ter kolutu za posamezne kategorije odmičnih spon 18 3 Na vzvodni palici ni označeno, v 4 katero kategorijo odmičnih spon spada 30 Razvoj naprave 53 Razvoj naprave 54 5 Diskusija Razvili smo napravo za testiranje odmičnih spon na življenjsko dobo do detajlnega 3D-modela. Tekom razvoja smo sledili korakom konstrukcijskega procesa. Osnovno izhodišče nam je bila specifikacija konstrukcije, v kateri so zapisane vse zahteve in omejitve, ki jih je bilo treba upoštevati. Nadaljevali smo z razširjeno funkcijsko strukturo, kjer smo definirali vse materialne, informacijske ter energijske veličine. Za delne funkcije smo poiskali ustrezne delovne principe in to prikazali v obliki morfološke matrike. Posamezne rešitve delnih funkcij oz. delovne principe smo povezovali v koncepte. Sestavili smo tri koncepte, ki smo jih predstavili ter nato ovrednotili, in tistega z najvišjo oceno tudi izbrali za detajlni razvoj. Preračunali smo potrebno moč elektromotorja ter iz kataloga proizvajalca Bonfiglioli izbrali najprimernejši elektromotor. Ta ima dodatno pritrjen polžni reduktor, ki nam visoke vrtljaje gredi elektromotorja zniža do predvidene hitrosti delovanja – 60 vrt/min. Za dodatno regulacijo obratovanja je dodan frekvenčni regulator, ki s spreminjanjem frekvence spreminja tudi vrtljaje elektromotorja. Izvedli smo statično trdnostno kontrolo na kritičnem mestu varjenega T-nosilca. Preverili smo poves nosilca ter njegovo nosilnost. Enako smo storili tudi z zvarnim spojem na kritičnem mestu. Za osnovo merjenja sile zapiranja kompleta odmičnih spon smo izbrali odčitavanje obremenitve elektromotorja. Velikost obremenitve definira potreben električni tok in potrebno napetost, katerih vrednosti lahko periodno zajemamo preko frekvenčnega regulatorja. Zajeti vrednosti smo uporabili za izračun potrebnega momenta bremena, s pomočjo slednjega pa smo izračunali, kolikšna je sila zapiranja. Kot, pri katerem je spona odprta v trenutku zajemanja parametrov, smo določili glede na kotno hitrost in zasuk koluta. Zajete vrednosti parametrov toka in napetosti se shranjujejo na datoteko CSV, ki jo lahko uvozimo v Excel in izrišemo diagrame sile v odvisnosti od kota odprtja spone. Izdelali smo FMEA konstrukcije, v okviru katerih smo predvidevali potencialne okvare in napake, ki bi se lahko pojavile, ter definirali njihove vzroke in posledice. Pripisali smo ukrepe, s katerimi bi potencialne napake odpravili oz. se jim izognili. 55 Diskusija 56 6 Zaključki Cilj diplomskega dela je bil razvoj konstrukcije naprave za testiranje odmičnih spon na življenjsko dobo. Razviti 3D-model predstavlja celovito podobo končne naprave za testiranje. V delu je bilo narejeno: 1) zajeti in skonstruirani so bili vsi detajli za gladko delovanje, krmiljenje in upravljanje ter varnost naprave; 2) glede na moment zapiranja, ki ga ustvarijo odmične spone, smo izračunali potrebno moč elektromotorja; 3) ugotovili smo, da so izbrani pohištveni profili konstrukcijo naredili izredno togo in precej predimenzionirano, kar pa je pri testnih napravah priporočeno; 4) zasnovali smo sistem za merjenje sile zapiranja odmičnih spon. Silo preračunavamo iz zajetih vrednosti električnega toka in napetosti v frekvenčnem regulatorju. Kot odprtja odmične spone smo določili glede na zasuk koluta in območje odpiranja odmične spone; 5) izdelali smo dokumentacijo za izdelavo naprave. Razvili smo napravo za testiranje delovanja odmičnih spon, ki nam bo omogočila izvedbo testa na življenjsko dobo (100.000 ciklov) v dobrih 28 urah. Naprava omogoča hkratno testiranje 12 odmičnih spon na dveh ločenih postajah. Testirati je možno različne kategorije odmičnih spon z različnim kotom odpiranja. Za preprečitev poseganja v napravo med delovanjem, so gibajoči deli zaščiteni s PMMA steklom ter dodatnimi varnostnimi stikali. Preko zaslona na električni omarici je možno nastavljati hitrost delovanja naprave ter končno število opravljenih ciklov. Po končanem testu se komplet odmičnih spon enostavno sname z naprave ter namesti nov komplet. V prihodnje bo naprava v celoti izdelana in preizkušena. 57 Zaključki 58 Literatura [1] SIST EN 15570:2008. Pohištveno okovje – Trdnost in trajnost odmičnih spon in njihovih sestavnih delov – Odmične spone, pregibne v navpični osi. [2] L. M. Klyatis, E. L. Klyatis: Accelerated quality and reliability solutions. Elsevier, Oxford, 2006. [3] POGAČNIK, Aljaž, TAVČAR, Jože. An accelerated multilevel test and design procedure for polymer gears. Materials & design, ISSN 0264-1275, Jan. 2015, vol. 65, str. 961-973. [4] J. Hlebanja: Metodika konstruiranja. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, 2003. [5] Titus d.o.o. Dekani: Furniture fittings systems. Titus d.o.o. Dekani, Dekani, 2017. [6] L. M. Klyatis: Accelerated reliability and durability testing technology. Wiley, New Jersey, 2012. [7] Dr. Joseph Capitano: Explaining Accelerated Aging. Dostopno na: https://www.evaluationengineering.com/explaining-accelerated-aging, ogled: 20.5.2018. [8] Bonfiglioli. Dostopno na: http://www.docsbonfiglioli.com/pdf_documents/catalogue/BR_CAT_VF-W_IE2IE3_ENG_R07_2.pdf, ogled: 1.6.2018. [9] Harry W. McLean: HALT, HASS, and HASA explained. ASQ Quality Press, Milwaukee, 2009. [10] D. Mohorič: Razvoj in načrtovanje procesa izdelave elektronsko komutiranega motorja z zunanjim rotorjem: magistrsko delo. Maribor, 2007. 59